DE10022073A1 - Mischdüse und Sprüheinheit - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Mischdüse für fluide Medien, insbesondere Wasser-Luft-Gemische, mit einer Flüssigkeitsdüse (2), die in den Innenraum eines äußeren Düsenkörpers (29) mündet, der im Abstand zur Flüssigkeitsdüse (2) eine sich längsaxial verjüngende Zone aufweist, innerhalb der ein Drosselkörper (1) zur Verwirbelung des fluiden Gemisches angeordnet ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Sprüheinheit, die mittels einer einzigen Pumpe mit einem fluiden Medium über eine gemeinsame Zuführleitung versorgt wird. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist der Auslaß der Flüssigkeitsdüse (2) als Ventilsitz für den längsaxial über eine Spindel (6, 5) verschiebbaren Drosselkörper (1) ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mischdüse für fluide Medien, insbe­ sondere Wasser-Luft-Gemische, mit einer Flüssigkeitsdüse, die in den Innenraum eines äußeren Düsenkörpers mündet, der im Abstand zur Flüssigkeitsdüse eine sich längsaxial verjüngende Zone aufweist, innerhalb der ein Drosselkörper zur Verwirbelung des fluiden Gemisches angeordnet ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Sprüheinheit, die mittels einer einzigen Pumpe mit einem fluiden Medium über eine gemeinsame Zuführleitung ver­ sorgt wird.

Durch Mischdüsen der vorgenannten Art, die auch als Schaumspru­ deldüsen bezeichnet werden, werden Wasserfontänen erzeugt, wobei mehrere solcher Düsen, die zu einer Sprüheinheit zusam­ mengefaßt sind, in sogenannten Fahrübungszentren dazu benutzt werden, um plötzlich auftretende, quer zur Fahrrichtung lie­ gende, variable Hindernisse zu simulieren.

Inzwischen ist bekannt, dass viele Unfälle vermeidbar sind, wenn die Fahrzeuglenker lernen, mit unvorhersehbaren Ver­ kehrssituationen durch geeignete Fahrmaßnahmen bei unterschied­ lichen Witterungsbedingungen fertig zu werden. Die Ausrüstung eines Kraftfahrzeuges mit einem ABS-Bremssystem allein reicht nämlich erfahrungsgemäß noch nicht aus, um ein Auffahren auf ein Hindernis zu vermeiden, es sei denn, der jeweilige Fahr­ zeuglenker hat trainiert, wie er einem solchen Hindernis aus­ weichen kann. Feststehende, jederzeit sichtbare Hindernisse wie Baken, künstliche Wände, Sperrhüte oder ähnliches haben den Nachteil, dass sich der Fahrer frühzeitig auf ein solches Hin­ dernis einstellen kann. Anders hingegen ist die Situation, wenn plötzlich und unerwartet ein künstliches Hindernis auftaucht, das durch Wasserfontänen willkürlich erzeugt werden kann. Hierzu geeignete Düsen sind für den Fahrer unsichtbar im Boden versenkt angeordnet und können gezielt mit einem Wasser-Luft- Gemisch versorgt werden. Das Wasser wird über die Flüssigkeits­ düse mittels einer Pumpe zugeführt und vermengt sich mit radial einströmender Luft, wobei dieses Wasser-Luft-Gemisch durch einen Drosselkörper verwirbelt wird, so daß infolge der Anrei­ cherung des Wasserstrahls mit Luftblasen eine nicht durchsich­ tige Fontäne entsteht.

In der Praxis werden mehrere solcher Mischdüsen, zumeist fünf bis sechs solcher Düsen zu einer etwa 1 m breiten Einheit zusammengefaßt und mit einer eigenen, separat ansteuerbaren Wasserpumpe ausgerüstet. Um eine hinreichend große Hindernis­ breite simulieren zu können, sind viele solcher Einheiten mit entsprechend vielen einzelnen Pumpaggregaten erforderlich. Bei­ spielsweise benötigt man zum Aufbau eines aus Wasserfontänen simulierten Hindernisses mit einer Straßenbreite von 8 m acht solcher Einheiten. Dies hat jedoch folgende Nachteile:
Zunächst kann die Breite des Wasserhindernisses nur in Segmen­ ten von etwa 1 m abgestuft werden. Darüber hinaus ist in den nach dem Stand der Technik bekannten Mischdüsen der Abstand des Drosselkörpers zum Flüssigkeitsdüsenauslaß fest vorgegeben, so daß entsprechend der Pumpenleistung bzw. dem aufbringbaren Was­ serdruck nur eine konstante Hindernishöhe erzeugt werden kann, die während des Betriebes nicht veränderbar ist. Sind mehrere Mischdüsen auf einem einzigen Verteilerrohr nebeneinanderlie­ gend angeordnet, so lassen sich nachteiligerweise auch wegen des vorhandenen Druckabfalls im Verteilerrohr keine gleich hohen Wasserfontänen erzeugen. Die Höhe der Wasserfontäne ist nämlich zwangsläufig bei den Mischdüsen größer, die der gemein­ samen Pumpe am nächsten angeordnet sind.

Durch den Aufbau der Mischdüsen, die in Bodenrinnen versengt sind, läßt sich auch das Eindringen von Steinen, Laub, Sand, Schlick etc. nicht verhindern, was insbesondere bei den übli­ cherweise verwendeten Tauchpumpen eine hohe Störanfälligkeit bewirkt. Um den Druckabfall entlang des Wasserzufuhrrohres gering zu halten, ist nicht nur die Verwendung von mehreren Pumpen für einzelne Sprüheinheiten notwendig, sondern auch eine ortsnahe Anbringung der Pumpen an dem Wasserzuflußrohr, über das die Mischdüsen mit Wasser gespeist werden. Die hierzu not­ wendige Stromversorgung der Pumpe, die häufig mit 380 V betrie­ ben werden, bildet in dem engen, nassen Kanal, in dem die Sprü­ heinheiten angeordnet sind, eine große Gefahrenquelle.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine regelbare Mischdüse anzugeben, mit der während des Betriebes eine indivi­ duelle Höheneinstellung der erzeugten Fontäne aus einem Fluid­ gemisch möglich ist. Die Flüssigkeitszufuhr dieser Mischdüsen soll möglichst verschließbar sein, um das Eindringen von Ver­ schmutzungen zu verhindern.

Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine Sprüheinheit aus mehreren Mischdüsen zu schaffen, mit der eine künstliche "Wasserwand" beliebiger Höhenstruktur mit möglichst geringem Pumpaufwand erzeugt werden kann.

Zur Lösung der erstgenannten Aufgabe wird die Mischdüse nach Anspruch 1 vorgeschlagen, die erfindungsgemäß dadurch gekenn­ zeichnet ist, daß der Auslaß der Flüssigkeitsdüse als Ventil­ sitz für den längsaxial über eine Spindel verschiebbaren Dros­ selkörper ausgebildet ist. Der Drosselkörper dient hierbei nicht nur zur Verwirbelung von Luft-Wasser-Gemischen, sondern auch aufgrund seiner längsaxialen Verschiebbarkeit als Ver­ schlußorgan und regelbares Drosselorgan. So kann je nach längsaxialer Stellung des Drosselkörpers zum Flüssigkeitsdüsen­ auslaß eine mehr oder weniger stark verwirbelte Flüssigkeits- bzw. Luft-Wasser-Strömung eingestellt werden. Die längsaxiale Verstellbarkeit der Drosselkörper läßt auch die Fluid-Durch­ flußmenge fein regulieren.

Weiterbildungen der Mischdüse sind in den Unteransprüchen beschrieben. So wird vorzugsweise der Drosselkörper mittels eines Elektromotors längsaxial verschoben. In einer konkreten Ausgestaltung der Mischdüse ist die Antriebsspindel des Elek­ tromotors mit einer drehgesicherten Hülse verbunden, die unter Zwischenschaltung einer elastischen Kupplung über eine Verbin­ dungswelle mit dem Drosselkörper verbunden ist. Die elastische Kupplung verhindert, daß Kräfte, insbesondere solche, die in längsaxialer Richtung auf den Drosselkörper einwirken, unge­ dämpft auf die Antriebsspindel des Elektromotors übertragen werden. Die mittels der Kupplung erzeugte Dämpfung dient somit der Elektromotorschonung und der Erhöhung der Lebensdauer die­ ses Motors.

Um die Lage des Drosselkörpers möglichst genau bestimmen bzw. entsprechen einstellen zu können, ist mit dem Elektromotor ein Meßgeber (Encoder) verbunden, der jeweils Aufschluß über die bereits getätigte Spindeldrehung gibt, die in direkt proportio­ nalem Verhältnis zu der längsaxialen Verschiebung des Drossel­ körpers steht.

Besondere Vorteile hat die Mischdüse dann, wenn sie mit mehre­ ren anderen Düsen zu einer Sprüheinheit zusammengefaßt wird, die mittels einer einzigen Pumpe mit einem fluiden Medium über eine gemeinsame Zufuhrleitung versorgt wird. Die geometrische Form der Sprüheinheit ist grundsätzlich beliebig wählbar, jedoch wird vorzugsweise die Form eines Sprühbalkens gewählt, auf dem in einer Reihe mehrere Düsen nebeneinander angeordnet sind, die nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung jeweils einzeln steuer- oder regelbar sind. Insbesondere kann der Sprühbalken ein Vierkantrohr aufweisen, auf bzw. in dem die Mischdüse in beliebiger Anzahl angeordnet sind. Die Vorteile solcher Sprüheinheiten sollen anhand der speziellen Ausfüh­ rungsform des Sprühbalkens erläutert werden, gelten jedoch in entsprechender Weise auch für andere Geometrieformen von Sprü­ heinheiten. Durch die Möglichkeit, daß alle in der Sprüheinheit vorliegenden Düsen von einer zentralen, außerhalb der Sprühein­ heit installierten Pumpe mit Wasser versorgt werden, ist der apparative Aufwand erheblich minimiert, so daß beispielsweise das Wasser mit einer einzigen zentralen Filteranlage aufberei­ tet werden kann. Anders als bei den eingangs erwähnten Düsen nach dem Stand der Technik ist die Länge des Sprühbalkens bzw. die Anzahl der Düsen nicht beschränkt. Jede Mischdüse kann näm­ lich getrennt geregelt werden, so daß ein Druckabfall in ent­ sprechender Weise durch Lageänderung des Drosselkörpers ausge­ glichen werden kann, so daß sich beispielsweise jeweils gleich hohe Fontänen einstellen lassen. Ebenso ist es möglich, die jeweilige Wasser-Luft-Gemisch-Fontänhöhe pro Mischdüse so zu regeln, so daß ein "Wasservorhang" mit einer wellenartigen oder beliebig gekrümmten Oberkante erzeugt werden kann. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es weiterhin möglich, die Zufuhrleitung, auf der die einzelnen Mischdüsen angeordnet sind, groß zu dimensionieren, so daß örtlich nur geringe Strömungsgeschwindigkeiten vorliegen und damit der Druckabfall über die gesamte Rohrlänge bzw. die Länge des Sprühbalkens nur sehr gering ist. In dem primär ins Auge gefaßten Anwendungs­ zweck, einen Sprühbalken zur Erzeugung künstlicher Hindernisse zu schaffen, kann somit eine beliebige Straßenbreite abgedeckt werden. Da nur noch eine zentrale, außerhalb der Zufuhrleitung liegende einzige Pumpe benötigt wird, ist dementsprechend auch deren Stromversorgung erheblich einfacher, insbesondere jedoch gefahrloser zu gestalten. Jede Mischdüse läßt sich getrennt ansteuern, was auch die Möglichkeit beinhaltet, nur einen Teil der Düsen zu öffnen und die übrigen zu verschließen. Somit kön­ nen beliebig breite Hindernissen an unterschiedlichen Orten relativ zur Gesamtbreite der Straße erzeugt werden. Die erfin­ dungsgemäß mögliche separate proportionale Ansteuerung jeder Düse schafft den Vorteil einer Simulation eines sowohl hin­ sichtlich des Ortes als auch der Gestaltung variablen Hinder­ nisses. Verwendet man eine Steuerung, mit der nacheinander Düsen geöffnet und geschlossen werden, können auch bewegliche Hindernisse simuliert werden, auf die die Probanden auf ent­ sprechenden Auto-Teststrecken reagieren sollen. Solche Simula­ tionen sind wichtig, um beispielsweise die Bewegung eines plötzlich über die Straße laufenden Kindes nachzustellen.

Weitere Vorteile der Erfindung werden im folgenden anhand der Figuren erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein herkömmliches System aus mehreren nebenein ander angeordneten Sprüheinheiten,

Fig. 2 eine Sprüheinheit mit einer Versorgungspumpe (Stand der Technik),

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine nach dem Stand der Technik bekannte Mischdüse,

Fig. 4 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Mischdüse und

Fig. 5 eine Sprüheinheit mit mehreren Mischdüsen gemäß der vorliegenden Erfindung.

Auf Verkehrsübungsplätzen oder sonstigen Fahrübungszentren sind in einer Straße Rinnen 10 angeordnet, in denen jeweils nach dem Stand der Technik mehrere Sprüheinheiten 11 vorgesehen sind, die dazu dienen, quer zur Fahrtrichtung liegende Hindernisse durch Wasserfontänen zu simulieren. In Fig. 1 werden zur Über­ deckung der Straßenbreite beispielsweise acht Sprüheinheiten 11 benötigt, die jeweils im dargestellten Fall sechs Mischdüsen besitzen. Jeder der einzelnen Sprüheinheiten 11 wird über eine Pumpe 12 mit Wasser versorgt. In dem in Fig. 1 dargestellten idealisierten Fall werden drei nebeneinanderliegende Sprühein­ heiten 11 betätigt, um einen Wasservorhand 13 aus jeweils ein­ zelnen Wasserfontänen zu erzeugen, der eine Hindernisbreite b und eine Hindernishöhe h darstellen soll. Nach dem Stand der Technik werden regelmäßig Sprüheinheiten in Form von Sprühbal­ ken mit einer Breite von ca. 1 m verwendet, die fünf bis sechs Mischdüsen aufweisen.

Wie sich im Detail aus Fig. 2 ergibt, wird für jede Sprühein­ heit eine separate Pumpe 12 verwendet, mittels der über eine Zufuhrleitung 14 ein etwa waagrecht liegendes Rohr 15 mit Was­ ser versorgt wird. Infolge des Druckabfalles ist es offensicht­ lich, daß die in der Mitte des Sprühbalkens angeordnete Misch­ düsen eine höhere Wasserfontäne erzeugen als die außenliegenden Mischdüsen 16. Jede Sprüheinheit 11 deckt somit eine Teil­ breite a ab, so daß zur Abdeckung einer gesamten Straßen­ breite B (siehe Fig. 1) mehrere Sprüheinheiten und hierzu erforderliche Versorgungseinheiten gebraucht werden.

Der Aufbau einer jeden nach dem Stand der Technik bekannten Mischdüse 16 ist aus Fig. 3 ersichtlich. Das über den Auslaß einer Flüssigkeitsdüse 17 geförderte Wasser vermengt sich mit der radial einströmenden Luft zu einem Luft-Wasser-Gemisch, das durch den Drosselkörper 18 verwirbelt und in Richtung des Pfei­ les 19 (nach oben) ausgeworfen wird. Der Drosselkörper 18 ist ballig ausgeführt und liegt im Abstand zum Auslaß der Flüssig­ keitsdüse 12. Manuelle Einstellungen sind, sofern überhaupt vorgesehen, nur nach Öffnen des Düsenkörpers möglich. Es ist offensichtlich, daß in die Rinnen 10 Schmutz, Steine, Laub oder ähnliche Störstoffe einfließen könne, die zum Teil in die Lei­ tungen 15 und 14 bis hin zur Pumpe dringen können und deren Betrieb stören.

Demgegenüber zeigt Fig. 4 eine erfindungsgemäße Mischdüse 20, von denen mehrere in einem Vierkantrohr 21 integriert sind. Jede dieser Mischdüsen besitzt einen Drosselkörper 1, der längsaxial verstellbar und an der der Flüssigkeitsdüse 2 zuge­ kehrten Seite kegelförmig ausgebildet ist, so daß mittels des Drosselkörpers 1 die Flüssigkeitsdüse 2 verschlossen werden kann, deren Auslaß in entsprechender Weise als Ventilsitz für den kegelförmigen Drosselkörperteil ausgebildet ist. Die längsaxiale Verstellung des Drosselkörper 1 ist mittels der Verbindungswelle 3 möglich, die über eine elastische Kupplung 4 mit einer gegen Verdrehung gesicherten Hülse 5 mit einem Innen­ gewinde verbunden ist. Die Hülse 5 ist auf die Antriebsspin­ del 6 des Elektromotors 7 gekoppelt, durch deren Drehung je nach Drehrichtung die Hülse 5 der Gewindesteigung entsprechend nach vorne oder zurück bewegt wird. Um die Lage des Drosselkör­ pers feststellen zu können, ist der Motor 7 mit einem Encoder 8 ausgestattet. Zum Anschluß der Spannungsversorgung sowie der Steuerleitungen dient ein Adapter 9.

Das im Innenraum des Vierkantrohre 21 unter Druck stehende Was­ ser gelangt über vorgesehene Öffnungen 22 in den Innenraum 23 der Flüssigkeitsdüse zu deren Auslaß, wo es mit angesaugter Luft (siehe Pfeil 24) vermengt und über den Mischdüsenauslaß 25 ausgestoßen wird. Je nach Stellung des Drosselkörpers relativ zu der Mischdüsenverengung 26 kann die Strömungsgeschwindigkeit und der Druck des Wasser-Luft-Gemisches und damit auch die erreichbare Strahlhöhe der Mischdüse 20 variiert werden.

Fig. 5 zeigt das bereits erwähnte Vierkantrohr 21 mit darge­ stellten 48 Mischdüsen 20, die äquidistant zueinander angeord­ net sind. Das Vierkantrohr 21 erstreckt sich als Sprühbalken im wesentlichen über die gesamte Breite B der Straße bzw. der Rinne 10, in der der Sprühbalken angeordnet ist. Das Vierkant­ rohr 21 wird über eine einzige Pumpe 27 mit Wasser versorgt. Durch die getrennte Ansteuerbarkeit jeder einzelnen Mischdüse können beliebige Hindernisbreiten c bzw. Hindernishöhen d erzeugt werden, wie dies in Fig. 5 prinzipiell dargestellt ist. Die dort erzeugte Wasserwand aus einzelnen Wasserstrahlen 28, die gestrichelt dargestellt sind, kann an beliebiger Stelle fortlaufen, auch zur Bewegungssimulation erzeugt werden. Dieje­ nigen Mischdüsen 20, die keinen Wasserstrahl abgeben sollen, sind durch Absenken des Drosselkörpers 1 auf den Flüssigkeits­ düsenauslaß 2, der als entsprechender Ventilsitz ausgebildet ist, verschlossen.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Mischdüse bzw. der Sprühein­ heit wird durch Vergleich mit Fig. 1 unmittelbar deutlich: Wäh­ rend es mittels der Mischdüsen 16 bzw. der Sprüheinheiten 11 nur möglich ist, jeweils abgestufte Hindernisbreiten zu erzeu­ gen, können die künstlichen Hindernisbreiten mit der Sprühein­ heit gemäß Fig. 5 feinstufiger eingestellt werden. Da auch wäh­ rend des fontänenartigen Betriebes eine individuelle Regelung bzw. Steuerung der einzelnen Mischdüsen möglich ist, können die Hindernisse bei anstehendem Wasserdruck in der gewünschten Weise sowohl in der Höhe als auch in der Breite als auch hin­ sichtlich des Ortes und des zeitlichen Verlaufes variiert wer­ den.

Von der vorliegenden Erfindung sind auch solche Ausführungsfor­ men erfaßt, bei denen kein linearer Sprühbalken, sondern anders geformte Sprüheinheiten verwendet werden. Diese können in einer Ebene, etwa in S- oder Z-Form oder auch im Raum als Spirale ausgebildet sein, womit sich für Springbrunnen oder ähnliche Wasserspiel individuell regelbare Fontänen unter Verwendung nur einer einzigen Pumpe erzeugen lassen.

Claims (8)

1. Mischdüse für fluide Medien, insbesondere Wasser-Luft- Gemische, mit einer Flüssigkeitsdüse (2), die in den Innenraum eines äußeren Düsenkörpers (29) mündet, der im Abstand zur Flüssigkeitsdüse (2) eine sich längsaxial ver­ jüngende Zone (26) aufweist, innerhalb der ein Drosselkör­ per (1) zur Verwirbelung des fluiden Gemisches angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß der Flüssigkeitsdüse (2) als Ventilsitz für den längsaxial über eine Spindel (6, 5) verschiebbaren Drosselkörper (1) ausgebildet ist.

2. Mischdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drosselkörper (1) mittels eines Elektromotors (7) längs­ axial verschiebbar ist.

3. Mischdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsspindel (6) des Elektromotors (7) mit einer dreh­ gesicherten Hülse (5) verbunden ist, die unter Zwischen­ schaltung einer elastischen Kupplung (4) über eine Verbin­ dungswelle (3) mit dem Drosselkörper (1) verbunden ist.

4. Mischdüse nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (7) mit einem Meßgeber (8) zur Lage­ bestimmung des Drosselkörpers (1) verbunden ist.

5. Sprüheinheit, die mittels einer einzigen Pumpe (27) mit einem fluiden Medium über eine gemeinsame Zufuhrlei­ tung (21) versorgt wird, gekennzeichnet durch mehrere Mischdüsen (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4.

6. Sprüheinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß diese als Sprühbalken (21) ausgebildet ist.

7. Sprüheinheit nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Mischdüsen (20) getrennt steuer- oder regel­ bar sind.

8. Sprüheinheit nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sprühbalken ein Vierkantrohr (21) aufweist, in dem mehrere Mischdüsen (20) in einer Reihe hintereinander montiert sind.