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Die
Erfindung betrifft eine Zerstäubungsvorrichtung für
Flüssigkeiten nach dem Oberbegriff des Patentanspruches
1. Weiterhin umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
einer Zerstäubungsvorrichtung für Flüssigkeiten,
insbesondere zur Abgabe von Wasser in einer Dusche, sowie deren
Verwendung.
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Aus
der
WO 2004/101163
A1 ist eine gattungsgemäße Zerstäubungsvorrichtung
für Flüssigkeiten als Wascheinrichtung bekannt.
Darin ist ein Duschkopf beschrieben, in welchem Wasserdüsen paarweise
angeordnet sind, so dass die Strahlen aus zwei Düsen eines
Paares aufeinander prallen und sich dadurch in Tröpfchen
auflösen. Zweck der Vorrichtung ist, ein angenehmes Duscherlebnis
bei unterschiedlichen Betriebsdrücken zwischen 2,0 bar und
25 bar zu ermöglichen und auch den Wasserverbrauch gegenüber
herkömmlichen Duschköpfen zu verkleinern. Dabei
soll aber verhindert werden, dass nebst den Wassertöpfchen
auch ein Nebel aus sehr feinen Tröpfchen entsteht. Dazu
werden vorzugsweise die aufeinanderprallenden Strahlen so angeordnet,
dass sie einander nicht vollständig überschneiden.
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Die
bekannte Wascheinrichtung weist einen Auslass zum Versprühen
von Flüssigkeiten mit niedriger Durchflussrate sowie eine
Fördervorrichtung zur Erhöhung eines Flüssigkeitsdrucks
vor dem Versprühen auf. Die versprühte Flüssigkeit
ist meistens Wasser. Dem Wasser kann jedoch Seife oder ein anderes Reinigungs-
oder Desinfektionsmittel beigemischt werden. Das Gemisch kann aus
allen Düsen kommen. Es ist auch möglich, die Düsen
jeweils mit verschiedenen Flüssigkeiten zu versorgen, zum
Beispiel eine Düse mit Wasser und die andere mit Seife,
oder eine mit Wasser und eine mit Desinfektionsmittel. Die Wascheinrichtung
kann neben dem Sanitärbereich auch im therapeutischen,
Kosmetik- sowie Pharma-Bereich Anwendung finden, beispielsweise
mit zugemischten kosmetischen oder medizinischen Wirkstoffen.
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Durch
die Druckerhöhung wird es möglich, die Flüssigkeit
trotz kleiner Durchflussrate so zu versprühen, dass ein
angenehmes Wasch- oder Duscherlebnis entsteht. Denn durch das Versprühen
mit erhöhtem Druck und entsprechend durch enge Düsen
wird die Partikelgröße der Wassertropfen gegenüber
herkömmlichen Duschen wesentlich verkleinert. Dadurch ist
die gesamte Oberfläche der Wassertröpfchen wesentlich
größer als bei derselben Wassermenge bei größeren
Tropfen, und entsprechend ist auch die Wirkung beim Benetzen des
Körpers erhöht.
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Die
Fördervorrichtung oder Pumpe ist also als Teil der Wascheinrichtung
vorzugsweise lokal, in der Nähe des Auslasses respektive
eines Duschkopfes angeordnet, also in einem Badezimmer oder als Einbauelement
einer mobilen oder stationären Duschkabine. Durch den geringen
Wasserverbrauch ist die Wascheinrichtung besonders für
den Einbau in Transportmitteln wie Zügen, Flugzeugen, Wohnmobilen,
oder anderen mobilen Einrichtungen geeignet. Andere Anwendungen
sind beispielsweise in Duschen oder Waschanlagen in öffentlichen
Badeanstalten, in Geschirrspülmaschinen oder zur Bewässerung
von Pflanzen.
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Zusätzlich
weist die Wascheinrichtung eine Heizvorrichtung zum Aufheizen des
Wassers, bzw. der Flüssigkeit auf. Dank der geringen Durchflussrate kann
diese Heizung vergleichsweise klein ausgelegt werden. Insbesondere
kann sie als Durchlauferhitzer ausgebildet werden, also ohne Speicher
wie bei einer Boilerheizung. Die Heizung kann insbesondere elektrisch
betrieben werden. Ansonsten erfolgt die Versorgung mit Warmwasser
aus einem zentralen, beheizbaren Warmwasserspeicher oder allgemein
mit gespeichertem Warmwasser. Wegen der geringen benötigten
Heizleistung kann eine elektrische Heizung mit bestehenden elektrischen
Hausinstallationen betrieben werden. Dadurch kann die Heizung dezentral
angeordnet werden, d. h. dass jede Dusche respektive Wascheinrichtung
ihre eigene Heizung aufweist.
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Es
ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Wascheinrichtung zur Abgabe
von Wasser, insbesondere in einer Dusche, zu optimieren und eine
kostengünstige Ausführung eines Duschkopfes zu schaffen.
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Erfindungsgemäß wird
dies mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die
Zerstäubungsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens ein Zerstäubervorsatz vorgesehen ist, welcher
aus mindestens einer konvex in Strahlrichtung gewölbten
Zerstäuberplatte besteht und in den Auslass eingesetzt
ist. In die Zerstäuberplatte sind mindestens ein Schlitz
oder mehrere, richtungsparallel zueinander angeordnete Schlitze
eingebracht.
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Die
konvex in Strahlrichtung gewölbte Zerstäuberplatte
ist schalenförmig und/oder rinnenförmig gebogen.
Speziell bei einer konvex in Strahlrichtung gewölbten Zerstäuberplatte
sind die Schlitze quer und/oder schräg verschränkt
zur Rinnenachse verlaufend ausgebildet. In einer weiteren Ausführungsform
können die Schlitze äquidistant oder mit unterschiedlichem
Abstand zueinander auf einer konvex in Strahlrichtung gewölbten
Zerstäuberplatte verteilt sein. Dabei divergieren die in
Strömungsrichtung zeigenden Symmetrieachsen von mehreren Schlitzen
in Strahlrichtung voneinander weg.
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Die
Schlitze durchqueren die Dicke der Zerstäuberplatte entweder
in Richtung der lokalen Oberflächennormalen oder auch schräg
geneigt dazu. Die Länge der Schlitze ist vorgebbar und
kann innerhalb eines Zerstäubervorsatzes und/oder einer
Zerstäuberplatte gleich oder unterschiedlich gestaltet
sein. Weiterhin können die Schlitze in Schlitzlängsrichtung zueinander
gleich, mit einer geraden Schlitzreihe, oder versetzt angeordnet
sein.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist die konvex in Strahlrichtung
gewölbte Zerstäuberplatte entlang der Schlitzreihe
entweder nicht gekrümmt oder sie hat eine konvexe Krümmung
in Strahlrichtung, deren Krümmungsradius größer
ist als der Krümmungsradius quer über die rinnenförmig
gebogene Zerstäuberplatte.
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Wahlweise
ist der Krümmungsradius quer über die konvex in
Strahlrichtung gewölbte Zerstäuberplatte über
die Länge der Schlitzreihe konstant, oder es ist ein variierender
Krümmungsradius über die Länge der Schlitzreihe
vorgesehen. Vorzugsweise ist eine konvex in Strahlrichtung gewölbte
Zerstäuberplatte rotationssymmetrisch ausgewölbt
oder deren Wölbung entspricht dem Schalenausschnitt eines Ellipsoides.
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Eine
rinnenförmige Zerstäuberplatte bildet eine gerade
Rinne mit einer Richtungsdivergenz zwischen den Schlitzachsen. Dabei
durchdringen die Schlitze die gerade Rinne abweichend von der Senkrechten
zur Oberfläche an einem Ort. Als alternative Ausführungsform
dazu kann eine rinnenförmige Zerstäuberplatte
auch eine entlang ihrer Länge in Strahlrichtung gesehen
konvex ausgewölbte Rinne bilden. In diesem Fall ist der
Krümmungsradius der konvexen Auswölbung entlang
der Länge der Rinne größer als der Wölbungsradius
quer über die Rinne und die Schlitze verlaufen dann immer
in Richtung der Wölbung mit dem kleineren Wölbungsradius.
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In
einer weiteren Ausführungsform wird ein Rohrstück
mit einem nach außen gebogenen Oberflächenbereich
verwendet, wobei dieser formgleich zu einer Rinnenform und mit den
Schlitzen versehen ist.
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Die
Breite der Schlitze kann sich in Strahlrichtung erweitern oder verjüngen.
Genauso können die Größe des freien Schlitzquerschnittes
und die Form des Schlitzquerschnittes in Strahlrichtung variieren
oder konstant bleiben. Vorzugsweise besitzt der Schlitzquerschnitt
ein längliches Format mit einer beliebigen Querschnittsform,
insbesondere mit einem rechteckigen, linsenförmigen oder
ovalen Querschnitt.
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Eine
ergänzende Ausführungsform, insbesondere für
Duschanwendungen, sieht vor, dass der Zerstäuberplatte
eine weitere Auffangplatte in Strahlrichtung vorgelagert ist und
dass zwischen der Zerstäuberplatte und der zusätzlichen
Auffangplatte ein Abstand vorgesehen ist, so dass ein Hohlraum ausgebildet
wird. In dieser Auffangplatte ist jeweils mindestens eine einem
Schlitz in der Zerstäuberplatte zugeordneten Aussparung
für den Durchtritt der fächerförmigen
Flüssigkeitsstrahlen eingebracht. Dabei sind die Außenabmessungen
der Aussparung so gewählt, dass die seitlichen Strahlränder
eines jeden Fächerstrahls von der Auffangplatte am Durchtritt
gehindert werden und die Flüssigkeitsmenge aus den Strahlrändern
an der stromaufwärtigen Seite der Auffangplatte aufgefangen
wird. Das Auffangen der Strahlränder dient dazu, diese
aus dem Flüssigkeitsstrahl auszublenden, da die Strahlränder
aufgrund ihrer Verdickung gegenüber der geringeren Fächerstrahllamellendicke
einen hohen Strahlimpuls haben, der ansonsten bei einer Dusche beim
Auftreffen auf der Haut unangenehmen Druck auswirkt.
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Die
Auffangplatte weist eine gleiche oder ähnliche konvexe
Form wie die Zerstäuberplatte auf oder ist eben ausgeführt.
Vorteilhafterweise ist die Auffangplatte von der Zerstäuberplatte
mindestens so weit entfernt angeordnet, dass einzelne Fächerstrahllamellen
bereits vor Erreichen der Auffangplatte in kleinere Ligamente zerfallen
sind. Ansonsten würden auf der freien Seite der Auffangplatte über
Oberflächenspannungswirkung erneut verdickte Strahlränder
in einer noch existenten Lamelle gebildet werden.
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In
einer besonderen Ausführungsform wird die aufgefangene
Flüssigkeitsmenge aus dem Strahlrand von der Auffangplatte
abgesaugt und der Zerstäubungsvorrichtung erneut zugeführt.
Dabei ist für das Absaugen eine vorgeschaltete Drucksteigerungspumpe
oder eine nach dem Injektor-Prinzip arbeitende Pumpe, wie beispielsweise
eine Wasserstrahlpumpe in einem Duschkopf, vorgesehen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer
Zerstäubungsvorrichtung für Flüssigkeiten,
insbesondere zur Abgabe von Wasser in einer Dusche, mit einem Auslass
an einer Flüssigkeitszufuhrleitung zum Versprühen
von Flüssigkeiten mit niedriger Durchflussrate, wobei der
Auslass mindestens zwei Düsen zur Erzeugung von Flüssigkeitsstrahlen
und zur Zerstäubung aufweist, ist dadurch gekennzeichnet,
dass in eine aus mindestens einer konvex in Strahlrichtung gewölbten
Zerstäuberplatte eines Zerstäubervorsatzes mindestens
ein Schlitz durch ein scheibenförmiges Werkzeug eingefräst oder
eingeschliffen wird und dass das Werkzeug zum Einbringen des Schlitzes
eine rotationssymmetrische, sich drehende Scheibe ist.
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Verwendung
finden kann die erfindungsgemäße Zerstäubungsvorrichtung
für Flüssigkeiten im Bereich von Spüleinrichtungen
für Haushalts- und Gewerbeanwendungen, Feuerbekämpfung,
Hochdruckreinigungseinrichtungen, Feuerungs- und Brennertechnik
sowie Bewässerungseinrichtungen.
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Vorteilhafte
Eigenschaften sind: bestmögliche Zerstäubungsgüte
für Duschkomfort, wobei die erzielbare Tropfengröße
gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Konzepten
bei Bedarf ohne weitere Druckerhöhung um bis ein Drittel
reduziert werden kann, gleichmäßige Verteilung
oder gezielte Variation der versprühten Flüssigkeitsmenge über eine
vorgegebene Fläche, begrenzungsgenaue Besprühung
innerhalb eines vorgegebenen Sprayquerschnitts, hoher Auftreffimpuls
der Flüssigkeitsstrahlen für beste Reinigungswirkung,
Wasserersparnis infolge feinster Zerstäubung und beste
Reinigungswirkung durch hohen Auftreffimpuls.
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Bezogen
auf den Anwendungsbereich Wellness steht eine Wasser sparende, effizient
reinigende Duschbrause durch effiziente, gleichmäßige,
fein zerstäubte Sprayverteilung bei hohem Auftreffimpuls zur
Verfügung. In der Wassertechnik lässt sich zum Beispiel
ein Sprüharm von Geschirrspülern ausbilden, so
dass sich eine Wasserersparnis durch effiziente, gleichmäßige,
fein zerstäubte und impulsreiche Verteilung auf zu reinigendes
Geschirr ergibt. Bei der Feuerbekämpfung liegt der wesentliche
Effekt im effizienten Ersticken von Flammen durch Ausbildung von
Flüssigkeitsvorhängen bei Abdeckung großer Flächen.
Hochdruckreinigungseinrichtungen mit erfindungsgemäßem
Aufbau reinigen effizient und Wasser sparend durch gleichmäßige,
fein zerstäubte und impulsreiche Verteilung des Sprühstrahls.
Bewässerungseinrichtungen arbeiten Wasser sparend und können
gezielt auf räumlich abgegrenzten Flächen eingesetzt
werden. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Verwendung der Zerstäubungsvorrichtung
als Fontänenaufsatz für Garten- und Zimmerspringbrunnen.
Das Sprühbild ist eine ästhetische Erscheinung,
bei Zimmerspringbrunnen ist die Raumluftbefeuchtung durch die homogene
Verteilung eines fein zerstäubten Sprays sehr effizient.
Weiterhin ist eine Übertragung der erfindungsgemäßen
Markmale auf die Feuerungs- und Brennertechnik denkbar. Dabei lassen
sich Energie sparende Ölbrennerdüsen ausbilden,
welche für eine gezielte, fein zerstäubte und
stöchiometrische Verteilung des flüssigen Brennstoffes
sorgen.
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Erfindungsgemäß wird
somit eine Wascheinrichtung zur Abgabe von Wasser im Sanitärbereich, insbesondere
in einer Dusche, optimiert und die vorliegende Erfindung stellt
eine kostengünstige Ausführung eines Duschkopfes
dar. Die diversen Anforderungen an das zu erzeugende Spray sind
aufgrund des erfindungsgemäßen Designs, insbesondere durch
dessen hohe geometrische Freiheitsgrade, individuell und auf Basis
niedriger Kosten darstellbar. Aufgrund den zuvor beschriebenen Sprayeigenschaften
ist die Erfindung als kostengünstig herstellbares Konzept
für Duschköpfe und andere Anwendungen vorteilhaft
anwendbar.
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Die
Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
dar. Es zeigt schematisch eine Zerstäubungsvorrichtung:
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1:
bei der Bearbeitung einer rinnenförmig gebogenen Zerstäuberplatte
mit mehreren Schlitzen in einem Ausschnitt,
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2:
bei der Bearbeitung einer schalenförmigen Zerstäuberplatte
mit dem Strömungsbild an einem Schlitz in einem Ausschnitt,
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3:
mit dem Strömungsbild an einem Schlitz in einem Ausschnitt
der Zerstäuberplatte und
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4:
mit dem Strömungsbild an einem Schlitz in einem Ausschnitt
der Zerstäuberplatte sowie einer weiteren, in Strahlrichtung
vorgelagerten Auffangplatte.
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Die
Zerstäubungsvorrichtung besteht im Wesentlichen aus einem
Zerstäubervorsatz, welcher aus mindestens einer konvex
in Strahlrichtung gewölbten Zerstäuberplatte 1 besteht
und in den Auslass eingesetzt ist. Dabei sind in die Zerstäuberplatte 1 mindestens
ein Schlitz 2 oder mehrere, richtungsparallel zueinander
angeordnete Schlitze 2 eingebracht. Die konvex in Strahlrichtung
gewölbte Zerstäuberplatte 1 ist rinnenförmig
gemäß 1 oder schalenförmig
gemäß 2 gebogen.
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Mit
einem scheibenförmigen Werkzeug 3 wird ein Schlitz 2 in
eine gewölbte Zerstäuberplatte 1 eingefräst
oder eingeschliffen. Dadurch erhält der Schlitzquerschnitt
ein längliches Format mit einer beliebigen Querschnittsform.
Im Ausführungsbeispiel wird mit dem dargestellten Werkzeug 3 ein
linsenförmiger Querschnitt erreicht, welcher sich zudem
in Durchströmrichtung allmählich verjüngt.
Das entsprechende Strömungsbild an einer Zerstäuberplatte 1 zeigt 3.
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Gemäß 4 ist
der Zerstäuberplatte 1 eine weitere Auffangplatte 4 in
Strahlrichtung vorgelagert. Zwischen der Zerstäuberplatte 1 und
der zusätzlichen Auffangplatte 4 ist ein Abstand
vorgesehen, so dass ein Hohlraum 5 ausgebildet wird. Die
zusätzliche Auffangplatte 4 besitzt jeweils mindestens
eine einem Schlitz 2 in der der Zerstäuberplatte 1 zugeordnete
Aussparung 6 für den Durchtritt der fächerförmigen
Flüssigkeitsstrahlen, wobei die Außenabmessungen
der Aussparung 6 so gewählt sind, dass die seitlichen
Strahlränder eines jeden Fächerstrahls von der
Auffangplatte 4 am Durchtritt gehindert werden und die
Flüssigkeitsmenge aus den Strahlrändern an der
stromaufwärtigen Seite der Auffangplatte 4, also
im Hohlraum 5, aufgefangen wird.
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Diese
aufgefangene Flüssigkeitsmenge wird aus dem Strahlrand
von der Auffangplatte abgesaugt und der Zerstäubungsvorrichtung
erneut zugeführt. Dabei ist eine nach dem Injektor-Prinzip
arbeitende Pumpe 7, die der Zerstäubungsvorrichtung 1 vorgeschaltet
ist, für das Absaugen vorgesehen.
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Pro
Schlitz 2 tritt ein Fächerstrahl bzw. eine Flüssigkeitslamelle
aus. Die Aufspreizung des Fächerstrahls wird durch die
sich in Strömungsrichtung verjüngende Breite des
Schlitzes 2 erreicht, wodurch an den beiden sich gegenüberliegenden
Längsseiten des Schlitzes 2 aufeinander zulaufende
Strömungsvektoren quer zur Länge des Schlitzes
erzeugt werden, welche in der Schlitzaustrittsebene aufeinanderprallen.
Als Reaktion dieses Aufpralls ergibt sich abströmseitig
des Schlitzes 2 eine divergente Strömung, wodurch
ein Fächerstrahl aufgespreizt wird. Dies entspricht dem
Strömungsbild gemäß 3. Das
Aufspreizen wird weiterhin dadurch unterstützt, dass die
Zerstäuberplatte 1 entlang der Länge
eines Schlitzes 2 konvex in Strahlrichtung gewölbt
ist.
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Bei
mehr als einem Schlitz 2 spritzen diese richtungsdivergent
zueinander ab, wodurch die Fächerstrahlen trotz der Lamellenschwingungen
räumlich voneinander getrennt bleiben und deshalb das gesamte
Lamellenpaket gut zerstäubt wird. Durch das Zerstäubungsprinzip „Lamellenzerfall” und
die Aufteilung des zu zerstäubenden Fluidstromes auf viele
zerstäubende Öffnungen wird ein gutes Zerstäubungsergebnis
erreicht. Bei ausreichend großer Richtungsdivergenz und
Berührungsfreiheit zwischen den benachbarten Lamellen,
vorzugsweise etwa größer als 4 Grad, wird im Lamellenpaket,
also dem Gesamtstrahl, die ideale Zerstäubungsgüte
einer einzelnen Lamelle erreicht. Damit kann die mittlere Tropfengröße
um bis zu einem Drittel gegenüber anderen Zerstäubungsprinzipien,
bzw. -konzepten reduziert werden. Werden größere
Tropfen gewünscht, sind diese durch weniger Richtungsdivergenz
zwischen den Lamellen gezielt über den sich ergebenden
Lamellenabstand in weiten Grenzen einstellbar.
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Die
Zerstäubungsgüte ist zudem über die der einzelnen
Lamellen einstellbar. Eine geringere Weite eines Schlitzes 2 und
ein kleinerer Krümmungsradius entlang der Länge
eines Schlitzes 2 führen zu kleineren Tropfen
in der Lamelle. Durch beliebige Anordnung und Verteilung der Schlitze 2 auf
der Zerstäuberplatte 1 kann die abgesprühte
Menge im Lamellenpaket beliebig verteilt werden. Beliebig große
oder voneinander getrennte Flächen sind somit entweder mit
homogener oder gezielt inhomogener Spraymengenverteilung besprühbar.
Auch der Auffächerungswinkel jedes Fächerstrahls
ist durch die Bogenlänge eines Schlitzes 2 gezielt
einstellbar. Damit kann das Sprühbild auf beliebig konturierte,
kleine oder große zu besprühende Flächen
ohne hohe Randverluste begrenzt werden.
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Dazu
zählt auch zum Beispiel bei Duschanwendungen das Ziel,
möglichst wenig Wasser in den Bereich nahe der oder an
die Duschkabinenwand zu versprühen.
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Fächerstrahlen
haben als flache, ebene Gebilde ein hohes Eindringungsvermögen.
Sie werden wenig von der Atmosphäre abgebremst, in die
sie eindringen. So ist bei gegebenem Spritzabstand der Strahlimpuls
maximal erhalten. Die Impulsdichte ist für reinigungstechnische
Anwendungen zudem wegen der flachen Gestalt des Fächerstrahls
maximal hoch.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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