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Die
Erfindung betrifft eine Zerstäuberanordnung zur Abgabe
eines fein zerstäubten Fluids, mit wenigstens einer Abspritzöffnung
zur Abgabe eines Fächerstrahls des Fluids.
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Stand der Technik
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Zerstäuberanordnungen
der eingangs genannten Art sind bekannt. Moderne Fluid-Einspritzsysteme,
beispielsweise für Kraftstoff- oder Abgasnachbehandlungsflüssigkeiten,
wie zum Beispiel Harnstoff-Wasserlösungen, verlangen, dass
ein Fluid beim Einspritzen fein zerstäubt wird. Insbesondere bei
der Nachbehandlung des Abgases einer Brennkraftmaschine ist beispielsweise
eine Reduktionswirkung für NOx nur
bei einem gut zerstäubten Reduktionsmittel-Fluid, wie zum
Beispiel Ad Blue, ausreichend hoch. Bekannte Zerstäuberanordnungen
weisen dafür in der Regel eine oder mehrere Spritzlochbohrungen
zum Zerstäuben des Fluids auf.
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Die
DE 10 2005 007 805
A1 offenbart eine Zerstäuberstruktur mit einem
Strömungskanal zur Zuleitung eines Fluids zu Abspritzöffnungen,
die in dem Strömungskanal ausgebildet sind, wobei die Abspritzöffnungen
in Durchströmungsrichtung gesehen von Materialbrücken
abgedeckt sind. Hierdurch wird anströmendes Fluid in einzelne
Ströme geteilt, die die Materialbrücke umspülen
und zwischen Materialbrücke und Abspritzöffnungen
vor dem Durchdringen der Abspritzöffnung wieder aufeinander
treffen und frontal kollidieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß ist
vorgesehen, dass unmittelbar vor der Abspritzöffnung ein
direkt durchströmbarer, eine Kollisionsströmung
des Fluids bewirkender Vorraum ausgebildet ist. Unmittelbar vor der
Abspritzöffnung ist also ein Vorraum vorgesehen, der eine
Kollisionsströmung des Fluids bewirkt. Dieser Vorraum ist
von dem zu zerstäubenden Fluid entlang eines direkten Durchströmungspfads
teilweise direkt durchströmbar. Der Vorraum ist erfindungsgemäß derart
ausgebildet, dass ein in den Vorraum einströmendes Fluid
teilweise derart umgelenkt wird, dass eine Kollisionsströmung
entsteht. Unter einer Kollisionsströmung ist hierbei eine
Strömung zu verstehen, bei der zumindest zwei Strömungspfade
des Fluids in dem Vorraum derart erzeugt werden, dass sie aufeinander
treffen beziehungsweise miteinander kollidieren. Vorteilhafterweise
kollidieren mindestens zwei im Vorraum umgelenkte Strömungspfade
im Bereich der Abspritzöffnung miteinander und mit dem direkten
Durchströmungspfad. Da die Kollisionsströmung
unmittelbar vor der Abspritzöffnung erzeugt wird, und da
der Vorraum direkt durchströmbar ist, bewirkt der direkte
Durchströmungspfad, dass die unterschiedlichen Strömungspfade
im Wesentlichen in der Abspritzöffnung miteinander kollidieren.
Eine rein frontale Kollision von Strömungen wird dabei
vorteilhafterweise verhindert, sodass keine Strömungsenergie
verloren geht. Als Ausweichsbewegung spreizt sich das Fluid stromabwärts
der Kollisionsströmung als Fächerstrahl auf. Durch
die vorteilhafte Ausgestaltung wird erreicht, dass eine besonders günstige
Fächerstrahlausbreitung entsteht und das Fluid besonders
fein zerstäubt wird. Aufgrund des direkten Strömungspfades
erreicht der Fächerstrahl eine besonders weite Durchdringungstiefe.
Der Fächerstrahl ist also aufgrund der vorteilhaften Ausbildung
der Zerstäuberanordnung sowohl äußerst
fein zerstäubt und erreicht darüber hinaus auch
noch eine weite Durchdringungstiefe beziehungsweise Strahllänge.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist die Abspritzöffnung
an einer Abspritzstruktur, insbesondere Abspritzplatte, ausgebildet.
Die Abspritzstruktur beziehungsweise Abspritzplatte kann auf einfache
Art und Weise beispielsweise in einem Einspritzventil oder in einem
Dosierventil integriert werden.
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Bevorzugt
ist der Vorraum an einer Anströmstruktur, insbesondere
Anströmplatte ausgebildet. Dadurch kann der Vorraum auf
einfache Art und Weise, zusätzlich oder alternativ zu der
Abspritzstruktur in dem Einspritzventil oder Dosierventil integriert
werden.
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Nach
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Abspritzstruktur
benachbart zur Anströmstruktur, insbesondere aneinanderliegend
benachbart oder unmittelbar einstückig miteinander ausgebildet.
Die Abspritzstruktur und die Anströmstruktur sind also
in einer vorteilhaften Ausführungsform direkt aneinanderliegend
benachbart ausgebildet. Dies kann beispielsweise durch die bereits
erwähnte Ausbildung der Abspritzstruktur als Abspritzplatte
und der Anströmstruktur als Anströmplatte realisiert
werden. Hierbei müssen die beiden Platten, Abspritzplatte
und Anströmplatte, lediglich aufeinander gelegt und gegebenenfalls
aneinander befestigt werden. Die so gebildete Zerstäuberanordnung
ist einfach verwendbar für Einspritz- oder Dosierventile. Eine Öffnung
in der Anströmplatte bildet dann im montierten Zustand
der Zerstäuberanordnung den Vorraum. Durch die Ausbildung
als Abspritzplatte und Anströmplatte ist die Herstellung
einfach und kostengünstig. In einer alternativen Ausführungsform sind
die Abspritzstruktur und die Anströmstruktur unmittelbar
einstückig miteinander ausgebildet. Hierdurch kann auf
besonders einfache Art und Weise ein ungewolltes Ausströmen
von Fluid zwischen Abspritzstruktur und Anströmstruktur
verhindert werden. Darüber hinaus ergibt sich eine besonders
einfache Montage der Zerstäuberanordnung.
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Zweckmäßigerweise
ist die Abspritzöffnung eine Schlitzöffnung. Dadurch
wird zum Einen die (Fächer-)Form des zerstäubten
Fluidstrahls im Wesentlichen vorgegeben, und zum Anderen wird durch
die schlitzförmige Abspritzöffnung eine besonders
günstige Kollisionsströmung für die Zerstäubung
des Fluids ermöglicht. Vorteilhafterweise verlaufen dazu
die von dem Vorraum erzeugten beziehungsweise gelenkten kollidierenden
Strömungspfade des Fluids senkrecht zu der Längserstreckung
der Schlitzöffnung.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der
Vorraum als rotationssymmetrischer Vorraum oder als Schlitzvorraum
ausgebildet. Vorteilhafterweise weist insbesondere der rotationssymmetrische
Vorraum einen ebenen oder einen – in Durchströmungsrichtung
gesehen – konvexen, die Abspritzöffnung aufweisenden
Grund auf. Hierdurch wird eine für die Zerstäubung
günstige Kollisionsströmung auf einfache Art und
Weise ermöglicht.
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In
einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung, bei der
die Abspritzöffnung als Schlitzöffnung und der
Vorraum als Schlitzvorraum ausgebildet sind, verläuft die
geometrische Längserstreckung der Schlitzöffnung
quer zu der geometrischen Längserstreckung des Schlitzvorraums.
Die Schlitzöffnung und der Schlitzvorraum liegen somit vorteilhafterweise
senkrecht oder in einem spitzen oder stumpfen Winkel übereinander,
wobei ein Durchströmungsquerschnitt, durch den Überlagerungsquerschnitt
von Schlitzöffnung und Schlitzvorraum gebildet wird. Der
Schlitzvorraum leitet beziehungsweise kanalisiert das Fluid auf
die Schlitzöffnung beziehungsweise den freiliegenden Durchströmungsquerschnitt
zu. Beidseitig des Durchströmungsquerschnitts entstehen
dadurch die aufeinander zulaufenden Strömungspfade, die
in dem Durchströmungsquerschnitt kollidieren. Durch den
direkten Durchströmungspfad, der direkt durch den Vorraum beziehungsweise
Schlitzvorraum und weiter direkt durch die Abspritzöffnung
beziehungsweise den Durchströmungsquerschnitt führt,
kollidieren die Durchströmungspfade, wie bereits beschrieben,
im Wesentlichen in der Abspritzöffnung, sodass ein besonders
feiner und weit reichender Fächerstrahl erzeugt wird.
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In
einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Abspritzöffnung – im
Querschnitt gesehen – parallel verlaufende Öffnungswandungen
und/oder sich in Spritzrichtung erweiternde Öffnungswandungen auf.
Dies fördert die Ausbreitung des Fächerstrahls und
die Zerstäubung des Fluids. Die Wandungen in den Abspritzöffnungen
divergieren somit in Durchströmungsrichtung. In einer weiteren
vorteilhaften Ausführungsform weist – im Längsschnitt
gesehen – die Abspritzöffnung einen – in
Durchströmungsrichtung gesehen- konkav geformten Öffnungsgrund
auf. Alternativ oder zusätzlich weist der Vorraum Wandungen
auf, die in (direkter) Durchströmungsrichtung zueinander
konvergierend verlaufen, wodurch das Fluid besonders vorteilhaft
gelenkt und die kollidierenden Strömungspfade erzeugt werden.
Wobei die konvergierenden Wandungen des Vorraums zweckmäßigerweise
Wandungen sind, die parallel zu der Längserstreckung des
als Schlitzvorraum ausgebildeten Vorraums ausgerichtet sind.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung sind mindestens zwei Abspritzöffnungen
vorgesehen. Hierdurch werden zwei Fächerstrahlen erzeugt,
und ein möglicher Volumenstrom des Fluids erhöht.
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Vorteilhafterweise
sind die mindestens zwei Abspritzöffnungen zueinander divergierend
ausspritzend ausgebildet. Durch zwei als Schlitzöffnungen ausgebildete
Abspritzöffnungen entsteht ein weiterer Zerstäubungsvorteil,
wobei das divergierende Zueinanderabspritzen gewährleistet,
dass sich die Fächerstrahlen nicht aus aerodynamischen
Gründen gegenseitig ansaugen, wodurch das Zerstäubungsergebnis verschlechtert
werden würde. Bevorzugt werden zwei zueinander divergierend
ausspritzende Abspritzöffnungen erhalten, in dem zwei Schlitzöffnungen näher
an den – in Längserstreckung gesehen – Enden
des Schlitzvorraums liegen als an dessen Zentrum. Somit wird aus
dem Zentrum des stromaufwärtigen Schlitzvorraums ein höheres
Fluidvolumen zu den Schlitzöffnungen geführt,
als von dessen Enden. Als Folge entsteht bei der Kollision der jeweiligen Strömungspfade
in den Schlitzöffnungen ein Impulsungleichgewicht, das
zu einem nach außen gerichteten Abkippen der Fächerstrahlebene
des erzeugten Fächerstrahls führt. Alternativ
oder zusätzlich dazu sind die mindestens zwei Abspritzöffnungen
geneigt zueinander ausgebildet, um zueinander divergierende Fächerstrahlen
zu erzeugen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung soll anhand einiger Figuren näher erläutert
werden. Dazu zeigen im Folgenden
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1A und 1B ein
Ausführungsbeispiel einer Zerstäuberanordnung
in unterschiedlichen Ansichten,
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2 eine
Anströmplatte in einer Draufsicht,
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3 eine
Abspritzplatte in einer Draufsicht,
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4A und 4B unterschiedliche Schnittdarstellungen
der Zerstäuberanordnung aus den 1A und 1B,
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5A und 5B ein
weiteres Ausführungsbeispiel einer Zerstäuberanordnung
in unterschiedlichen Ansichten,
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6 eine
Anströmplatte aus Silizium in einer Draufsicht,
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7 eine
Abspritzplatte aus Silizium in einer Draufsicht,
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8A und 8B unterschiedliche Schnittdarstellungen
der Zerstäuberanordnung aus den 5A und 5B,
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9A und 9B ein
weiteres Ausführungsbeispiel für eine vorteilhafte
Zerstäuberanordnung mit einer Abspritzöffnung,
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10A und 10B ein
weiteres Ausführungsbeispiel einer vorteilhaften Zerstäuberanordnung
mit einer Abspritzöffnung,
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11 ein
Ausführungsbeispiel einer vorteilhaften Zerstäuberanordnung
mit zwei Abspritzöffnungen und
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12 ein
weiteres Ausführungsbeispiel einer Zerstäuberanordnung
mit zwei Abspritzöffnungen.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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Die 1A und 1B zeigen
ein erstes Ausführungsbeispiel einer vorteilhaften Zerstäuberanordnung 1 in
einer Draufsicht auf eine Anströmseite 2 (1A)
und auf eine Abspritzseite 3 (1B). Die im
Wesentlichen kreisförmige Zerstäuberanordnung 1 besteht
aus einer in der 2 dargestellten, als Anströmplatte 4 ausgebildeten
Anströmstruktur 5 und einer in der 3 dargestellten,
als Abspritzplatte 6 ausgebildeten Abspritzstruktur 7.
Die Anströmplatte 4 weist eine schlitzförmige Öffnung 8 auf,
die mittig in der Anströmplatte 4 ausgebildet
ist.
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Die
in der 3 dargestellte Abspritzplatte 6 weist
zwei parallel zueinander angeordnete, als Schlitzöffnungen 9 und 10 ausgebildete,
Abspritzöffnungen 11 und 12 auf. Natürlich
könnten auch noch weitere Abspritzöffnungen vor
gesehen sein.
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Wie
in den 1A und 1B dargestellt, bilden
die Abspritzplatte 6 und die Anströmplatte 4 aufeinanderliegend
die Zerstäuberanordnung 1, wobei die Abspritzplatte 6 und
die Anströmplatte 4 derart zueinander ausgerichtet
sind, dass die geometrische Längserstreckung der Schlitzöffnungen 9 und 10 der
Abspritzplatte 6 quer beziehungsweise senkrecht zur geometrischen
Längserstreckung der Öffnung 8 der Anströmplatte
verlaufen. Dadurch entstehen Überschneidungsbereiche der Öffnung 8 mit
den Schlitzöffnungen 9 und 10, die jeweils
einen Durchströmungsquerschnitt 13, 14 bilden.
In der Zerstäuberanordnung 1 bildet die Öffnung 8 der
Anströmplatte 4, durch das Aufliegen der Anströmplatte 4 auf
der Abspritzplatte 6, einen Vorraum 15, der aufgrund
der schlitzförmigen Ausbildung der Öffnung 8 ein
Schlitzvorraum 16 ist.
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Die 4A zeigt
eine Schnittdarstellung der Zerstäuberanordnung 1 entlang
der in der 1A eingezeichneten Linie A-A. 4A zeigt
die aufeinanderliegenden Anströmplatte 4 und Abspritzplatte 6 in
einer Schnittdarstellung entlang der Längserstreckung der Öffnung 8.
In dieser Darstellung ist zu erkennen, wie durch die Öffnung 8 der
Anströmplatte 4 der Vorraum 15 beziehungsweise
Schlitzvorraum 16 gebildet wird. Da sich die Öffnung 8 mit
den Schlitzöffnungen 9 und 10 überschneidet,
kann der Vorraum 15 beziehungsweise Schlitzvorraum 16 von
einem flüssigen Medium in Richtung der Pfeile 17 direkt, also
ohne Umlenkung, durchströmt werden. Ein großer
Teil eines anströmenden Fluids wird jedoch durch den Vorraum 15 auf
die Abspritzöffnungen 11, 12 beziehungsweise
Schlitzöffnungen 9, 10 zugeleitet beziehungsweise
kanalisiert, beispielsweise in Richtung der durch Pfeile 18 angedeuteten
Strömungspfade. Diese führen zu jeweils einer
Kollisionsströmung im Bereich der Schlitzöffnungen 9 und 10.
Als Ausweichbewegung spreizt sich das Fluid stromabwärts
der Kollisionsstelle in Längsrichtung der Schlitzöffnungen 9, 10 als
Fächerstrahl auf, wie in der 4B dargestellt.
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Die 4B zeigt
eine Schnittdarstellung der Zerstäuberanordnung 1 entlang
der in der 1A eingezeichneten Schnittlinie
B-B, die entlang der Längserstreckung der Schlitzöffnung 10 der
Abspritzplatte 6 verläuft. Die fächerartige
Ausbreitung beziehungsweise Ausweitung des Strahls in Durchströmungsrichtung
wird durch Pfeile 19 angedeutet. Durch die vorteilhafte
Ausbildung der Zerstäuberanordnung 1, wie in den 1A bis 4B dargestellt, wird
ein besonders fein zerstäubtes Fluid auch bei wasserhaltigen
Fluiden, wie zum Beispiel Reduktionsmittel wie Add-Blue, erzeugt.
Wasser besitzt eine relativ hohe Oberflächenspannung, was
einen Strahlzerfall beziehungsweise die laterale Aufweitung eines
Strahls in Strömungsrichtung behindert. Gegenüber
Benzin hat Wasser beispielsweise eine um den Faktor 3 höhere
Oberflächenspannung. Mit anderen Worten würde
eine mit Benzin vergleichbare Zerstäubungsgüte
nur dann erreicht werden, wenn der Druck des (wasserhaltigen) Fluids
vor der Zerstäuberanordnung 1 um den Faktor 3 höher
wäre. Die Abspritzöffnungen 11, 12 beziehungsweise
Schlitzöffnungen 9, 10 der Abspritzplatte 6 sind
derart parallel zueinander beabstandet ausgebildet, dass die erzeugten
Fächerstrahlen, wie oben bereits beschrieben, divergierend
zueinander erzeugt werden. In einer hier nicht dargestellten Weiterbildung
sind die Abspritzplatte 6 und die Anströmplatte 4 einstückig
miteinander ausgebildet.
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Die 5A bis 8B zeigen
ein weiteres Ausführungsbeispiel der Zerstäuberanordnung 1, das
im Wesentlichen dem in den vorgehenden Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiel
entspricht, sodass hier nur auf die Unterschiede eingegangen werden
soll. Im Ausführungsbeispiel der 5A bis 8B sind
die Abspritzplatte 6 und die Anströmplatte 4 von
jeweils einer quadratischen Siliziumplatte 20, 21 gebildet.
Hierbei werden die Öffnung 8 und die Schlitzöffnungen 9 und 10 durch
Nassätzen des Siliziums beziehungsweise der Siliziumplatten 20, 21 hergestellt.
Dadurch entstehen schräg verlaufenden Schlitzwandungen 22, 23 und 24 schräg
entlang der Kristallebene des Siliziums. 5A und 5B zeigen
dabei die Zerstäuberanordnung 1 in einer Draufsicht
auf die Anströmseite 2 (5A) und
auf die Abspritzseite 3 (5B).
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Die 6 zeigt
die von der Siliziumplatte 20 gebildete Anströmplatte 4,
und die 7 die von der Siliziumplatte 21 gebildete
Abspritzplatte 6 in einer Draufsicht. In der Zerstäuberanordnung 1 werden
die Siliziumplatte 20 und die Siliziumplatte 21 derart
aufeinander gelegt, dass die Schlitzwandungen 24 sowie 22 und 23 – im
Querschnitt gesehen –, wie in der 8A dargestellt,
von der Aufliegeebene weg aufweitend/divergierend ausgerichtet sind.
Die 8B zeigt die Zerstäuberanordnung 1 der 5A in
einer weiteren Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie D-D.
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Die
Siliziumplatten 20, 21 weisen besonders glatte
Oberflächen auf. Die nassgeätzte Öffnung 8 sowie
die nassgeätzten Schlitzöffnungen 9 und 10 weisen
entsprechend glatte Oberflächen auf. Aus der daraus resultierenden
geringen Oberflächenhaftung wirken die Oberflächen
der Abspritzplatte 6 und der Anströmplatte 4 schmutz-
beziehungsweise ablagerungsabweisend. Dies hat insbesondere Vorteile
bei der Verwendung der Zerstäuberanordnung 1 in
einem Einspritz- oder Dosierventil, welches hoher Hitze und/oder
Ruß ausgesetzt ist. Darüber hinaus hält Silizium
hohen Temperaturen Stand. Weiterhin ist Silizium chemisch beständig,
sodass die Zerstäuberanordnung 1 nicht von einem
einzuspritzenden Fluid, wie beispielsweise Add-Blue, angegriffen
wird.
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Die 9A und 9B zeigen
in einem weiteren Ausführungsbeispiel eine einstückig
ausgebildete Zerstäuberanordnung 25 in einer Querschnittsdarstellung
(9A) und in einer Längsschnittdarstellung
(9B). Die Zerstäuberanordnung 25 ist im
Wesentlichen kreiszylinderförmig ausgebildet und weist
einen rotationssymmetrischen Vorraum 26 mit einem ebenen
Grund 27 auf, der im Wesentlichen senkrecht, zu einer durch
den Pfeil 28 gekennzeichneten Durchströmungsrichtung
ausgebildet ist. Im Grund 27 weist die Zerstäuberanordnung 25 eine
Abspritzöffnung 28 auf, die als Schlitzöffnung 29 ausgebildet,
wie in der 9B dargestellt. Der Vorraum 26 kann
von einem Fluid in Richtung des Pfeils 30 zumindest teilweise
direkt durchströmt werden. Aufgrund der rotationssymmetrischen
Ausbildung und dem ebenen Grund 27 des Vorraums 26 wird
eine Kollisionsströmung erzeugt, die zu einem vorteilhaften
Fächerstrahl, wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen
beschrieben, führt.
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Die 10A und 10B zeigen
in einer Querschnittsdarstellung (10A)
und in einer Längsdarstellung (10B)
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer einstückigen
Zerstäuberanordnung 25, die im Wesentlichen der Zerstäuberanordnung 25 der 9A und 9B entspricht,
sodass hier nur auf die wesentlichen Unterschiede eingegangen werden
soll. In Strömungsrichtung gesehen, gemäß Pfeil 30,
weist der Vorraum 26 einen konvex geformten Grund 27 auf.
Die Abspritzöffnung 28 ist, wie in der 10B dargestellt, ebenfalls als Schlitzöffnung 29 ausgebildet,
mit dem Unterschied, dass sie einen konkav gebogenen Öffnungsgrund – in
Längsrichtung gesehen – und – im Querschnitt
gesehen – sich in Spritzrichtung (30) erweiternde/divergierende Öffnungswandungen 32 aufweist.
Die Abspritzöffnung 28 kann beispielsweise auf
einfache Art und Weise mittels eines Scheibenfräsers erstellt
werden. Der rotationssymmetrische Vorraum 26 mit ebenem oder
konvexem Grund 27 ist einfach und kostengünstig
durch eine Bohrung herstellbar.
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Die 11 zeigt
eine Querschnittsdarstellung der Zerstäuberanordnung 25 der 9A und 9B mit
dem Unterschied, dass zwei Abspritzöffnungen 28 beziehungsweise
Schlitzöffnungen 29 vorgesehen sind, die vorteilhafterweise
zueinander divergierend ausspritzend ausgebildet sind, sodass die
erzeugten Fächerstrahlen sich nicht gegenseitig negativ
beeinflussen, wie oben bereits beschrieben.
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Die 12 zeigt
eine Querschnittsdarstellung der Zerstäuberanordnung der 10A und 10B mit
dem Unterschied, dass zwei parallel zueinander ausgerichtete Abspritzöffnungen 28 beziehungsweise
Schlitzöffnungen 29 vorgesehen sind, die ebenfalls
vorteilhafterweise zueinander divergierend ausspritzend ausgerichtet
sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005007805
A1 [0003]