DE102010051227A1 - Düse zur Abstrahlung von flüssigen Reinigungsmitteln mit darin dispergierten abrasiven Partikeln - Google Patents
Düse zur Abstrahlung von flüssigen Reinigungsmitteln mit darin dispergierten abrasiven Partikeln Download PDFInfo
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Abstract
Um Verstopfungen durch abrasive Partikel zu verhindern, weist eine Düse definierte Flexibilität auf, um sich im mikroskopischen Maßstab so zu verformen, dass die Eigenvibration beim Durchtritt des Mediums mit hohem Pressdruck die Anlagerung von Partikel an ihren Rändern verhindert, bzw. kurzfristig Angelagerte wieder ablöst. Weiter enthält die Düse vor der Verengung einen Turbolator, der das Medium zirkular verwirbelt, dagegen aber glatte Wände an der Kompressionskammer und im Düsengang, sowie eine zirkulare Erweiterung von 45° am Austritt.
Description
- Beim Abstrahlen von Gegenständen mit Reinigungsmitteln, die feste, abrasive Bestandteile enthalten in einem Wasserstrahl, muss der Düsendurchmesser bisher ein Vielfaches der Durchmesser der festen Partikel aufweisen, um nicht zu verstopfen.
- Andererseits ist die abtragende Wirkung des Mediums um so größer, je ”schärfer” der Wasserstrahl ist, d. h. mit je höherem Druck er erfolgt.
- Dieser Druck ist einerseits bestimmt durch den Pumpendruck, andererseits aber durch das Kompressionsverhältnis, das sich als Quotient der Querschnitte der eintretenden und aus der Düse austretenden Wassersäule ergibt.
- Nicht nur aus diesem Grunde wird eine möglichst feine Düse bevorzugt: Ein feinerer Druckstrahl bewirkt auch ein schärfer begrenztes Bild des Schnitts oder Abtrags, das in der Regel anzustreben ist.
- Im Gegensatz zu Systemen, wo ein Luft- oder Gasstrahl die abrasiven Komponenten durch die Düse presst, wie etwa beim Sand- oder Kugelstrahlen, oder bei der Nutzung von Druckgasen als Träger für feinere abrasive Medien – z. B. für Dentalreinigung – (siehe
US-Patentschriften 4.608.018 ,4.540.365 ,4.462.803 ,4.482.322 ,4.595.365 ,5.094.615 ,5.186.625 ,5.558.474 ,5.733.174 ,5.746.596 ,5.857.851 ,5.857.900 ,5.918.817 ,6.485.304 ,6.752.685 ,6.837.709 ,6.935.576 und6.964.569 ), bzw. bei der Kombination von mit Flüssigkeits- und Gas- bzw. Druckluft beaufschlagten Düsen (US-Patentschriften 4.253.610 ,4.776.794 ,5.203.698 ,5.385.304 ,5.551.909 ,5.553.784 und5.595.346 ), stellt beim Einsatz von nur in flüssigen Medien eingebrachten, unlöslichen Partikeln eine Verstopfung bei engen Düsen die Hauptursache für den Ausfall solcher Geräte und Anlagen dar. - Dagegen sind eine Vielzahl von Maßnahmen bekannt, die das Problem bislang jedoch nicht vollständig lösen können:
Das klassische Paradigma ist, die Düse mit möglichst ungeteilten, glatten Wandungen aus möglichst hartem und daher gegen den Verschleiß – d. h. hier die Aufrauhung der glatten Wände – resistentem Material auszuführen, wie hochverdichteten Keramiken, Rubinen oder Diamanten – wie dies inEP 0 476 632 B1 ausführlich und auch inUS 4.252.768 ,4.545.157 ,5.052.624 undUS 7.757.971 dargestellt ist. - Als einzige Ausnahme davon ist in
US 4.494.698 undUS 4.611.759 eine Düse aus Polyurethan beschrieben, die vorgeblich zur Bestrahlung mit abrasiven Medien dient, faktisch aber nur zum Zerstäuben von Gipsmilch in Abgas-Entschwefelungsanlagen vorgesehen ist. - Dagegen sind superharte Materialien teuer und ihre Bearbeitung sehr aufwändig, auch wenn nur das Düsenrohr damit ausgeführt, oder die Wandungen damit ausgekleidet sind, wie in
DE 3528137 A1 undUS 5.335.459 vorgeschlagen. - Ein möglicher Weg, um den Einsatz dieser Superharten Materialien zu ersparen ist, das abrasive Medium mit einem Mantelstrahl zu umhüllen, um den Verschleiß der Düsen-Wandungen zu verhindern, wie dies
EP 0258 242 B1 (Anspruch 2),EP 0573 957 B1 ,US 4.478.368 ,4.707.952 ,5.018.317 ,5.601.478 ,6.077.152 ,6.824.453 undUS 6.846.211 vorschlagen, oder den abrasiven Strahl möglichst durch Lamellendüsen zu glätten (DE 196 49 921 ,EP 0691 183 B1 ,US 5.169.065 ) bzw. laminar an den Düsenwänden zu führen (DE 3622292 A1 ), oder durch einen beschleunigten Kernstrahl den Druck auf die Düsenwände zu verringern und so den Gesamtstrahl konvergent innerhalb der Düsenwände zu halten (DE 19640921 C1 undUS 5.056.718 ). - Andererseits machen aber unvermeidliche Turbulenzen den Effekt derartiger Maßnahmen oft schon nach wenigen Millimetern Weg fast wirkungslos.
- Daher wurde auch versucht, das abrasive Mittel erst am Düsenausgang in den Strahl zu pressen (
US 6.119.964 ), was aber vorhersehbar die Strahlqualität stark beeinträchtigt, während andererseits eher Maßnahmen getroffen werden, durch die Düsengeometrie ein gleichmäßiges Strahlbild zu erzielen (z. B.DE 10 2006 015 805 A1 ). - Andere Lösungsvorschläge beziehen sich darauf, die Düse selbst entweder mechanisch mit einem Stößel, wie in
US 4.945.688 , mit einen sequenziellen Druckstoss des Mediums (US 5.312.040 ) oder mit zusätzlichen Flüssigkeiten oder Filtraten (US 5.226.565 ), oder wiederum mit Gasdruck (hier nicht weiter aufgeführt) zu reinigen. - Des weiteren wurde versucht, die Innenwandung einer Düse, die aus porösem Material besteht, zu schmieren, indem sie in einer das Schmiermittel enthaltenden Druckkammer geführt wird (
US 5.921.456 und6.688.947 ). - Ersatzweise gibt es Lösungen für schnelle Auswechselbarkeit von Düsenkopf (
EP 0 810 038 B1 ,EP 0 526 087 A1 , sowieUS 7.762.812 und6.601.783 , oder der Einheit von Düse und Mischkammer (US 5.114.766 ). - Das Paradigma für bisherige Düsenkonstruktionen von Abstrahlgeräten – diese aus möglichst hartem Material herzustellen, um ihren Verschleiß zu verringern – wurde auch auf Geräte mit geringeren Drücken übertragen, wenn abrasive Bestandteile angewendet werden sollten. Für die Anwendung mit vergleichsweise geringem Druck (bis 10 bar vor der Düse) und Anwendungen für entsprechend beschränkte Reinigungsaufgaben, wie z. B. dem Abtrag von Biofilmen erscheinen diese Maßnahmen aber unangemessen aufwändig, dennoch ist gerade hier das Risiko verstopfter Düsen bei der Führung abrasiver Bestandteile im Medium Wasser hoch. Die Kollision mit den Kosten solcher Düsen führte daher dazu, dass Versuche solche Reinigungsgeräte zu bauen, jedenfalls für den Consumer-Bereich, unrealisierbar blieben.
- Eine weitere Einflussgröße hinsichtlich möglicher Verstopfungen ist die Düsen-Geometrie. Während einerseits offensichtlich ist, dass Totvolumen zu vermeiden sind, in denen sich Ablagerungen vollziehen und mangels ausreichend strömenden Mediums kaum mehr abgelöst werden, ist jedoch die durch Turbulenzen in der Verengung eines Strahlganges bewirkten unterschiedlichen Druckzonen und Neerströme bislang nur unvollständig erforscht und auch nur unzureichend in Simulationen darstellbar.
- Andererseits sind gerade diese für die Anlagerung von Strahlmitteln an den Wandungen von Leitungen und Düsen entscheidend. Sie konnten bislang aber ohne viel Aufwand nur nachträglich – nämlich aus den Ablagerungen selbst – analysiert werden.
- Während institutionelle Forschungseinrichtungen zur Untersuchung der Verhältnisse – dem oben genannten Paradigma folgend – Düsen aus harten Glaskeramiken einsetzten, zeigte sich bei Versuchen mit einfachen Mitteln, nämlich mit Düsen aus Plexiglas, die zunächst nur zur Beobachtung des Strömungsverhaltens gedacht waren, der Effekt erheblich geringerer Ablagerungen und auch geringeren Verschleißes, als mit zuvor eingesetzten metallischen Düsen gleichen Querschnitts.
- Dies trifft die Aufgabe vorliegender Neuerung, Düsen in kostengünstiger Weise so auszuführen, dass sie Verstopfungen vermeiden, auch wenn ihr Durchmesser nur wenig größer ist als die Korngröße der festen Bestandteile des Mediums.
- Der erfinderische Schritt dazu folgt der aus den Versuchen gewonnenen Erkenntnis, dass das Material der Düse eine gewisse Flexibilität aufweisen und sich daher im mikroskopischen Maßstab verformen können muss, um durch die Eigenvibration beim Durchtritt von Wasser mit entsprechendem Pressdruck die Anlagerung von Partikel an ihren Wandungen zu verhindern, bzw. kurzzeitig Angelagerte wieder abzulösen.
- Daneben zeigte sich bei den entsprechenden Versuchen auch, dass sich auch der Verschleiß der Düsen unter Umständen verringert, wenn sie aus teilflexiblen Material bestehen. Beides beruht offensichtlich darauf, dass Turbulenzen des durch die Düse gepressten Strahls des Mediums, kombiniert mit eventuellen periodischen Unregelmäßigkeiten des Primärdrucks, zu Resonanzerscheinungen führen, die Vibrationen der Düse und jene wiederum die Ablösung möglicher Anlagerungen auslösen, bzw. diese verhindern.
- Ähnliches wurde zwar auch mit dem Einsatz von Schall-Gebern an Düsen versucht. Die Übertragung von Vibrationen ist bei harten Düsen aber aufgrund der hohen Eigenresonanz nur in sehr hohen Frequenzbereichen effektiv und deren Wirksamkeit aufgrund der geringen dabei anwendbaren Amplituden weniger erfolgversprechend – ganz abgesehen von dem ungleich höheren Aufwand dieses Verfahrens.
- Es erübrigen sich daher nach vorliegender Erfindung die teueren Materialien und aufwändigen Bearbeitungsmethoden, wenn die Düsen z. B. aus dem Kunststoff PMMA hergestellt sind. Zudem können diese leicht auswechselbar ausgeführt – und auf Grund der geringen Kosten – gegebenenfalls auch ausgewechselt werden.
- Dabei erwiesen sich Düsen für in Wasser dispergierte, abrasive Inhaltsstoffe wie oben beschrieben bei einem Primärdruck von 5 bis 9 bar als vorteilhaft, bei denen die Funktionsbereiche Wirbelbildung und Strahlführung so ausgeführt sind, dass das Medium zunächst verwirbelt, dann in der Verdichtung und Strahlführung jedoch an möglichst glatten Wänden geführt wird.
- Dabei ist eine drehende Verwirbelung vorteilhaft, die unmittelbar vor der Verdichtungszone einsetzt und eine dann glatte Strahlführung bis zum Düsenaustritt, der wiederum in einem 45°-Winkel zirkular zur Achse im Bereich einer Materialstärke von wenigstens 0,5 mm erfolgen soll.
- Anliegende Zeichnungen
1 und2 stellt diese Verhältnisse entsprechend dar: - In
1 lässt der Zuleitungsschlauch3 zur Düseneinheit1 , die in der Hülse2 gefasst ist, das Medium durch Bohrungen oder Schlitze7 in der Filterplatte6 in die Druckkammer8 eintreten, wo der vom Stempel10 gehaltene, konische Drallkörper11 von einem analog konischen Gehäuse12 umschlossen ist und das Medium in drehender Verwirbelung in die eigentliche Düse13 presst. - Speziell für die Zahnreinigung mit Abrasivstoffen wird der Strahl am Düsenmund
14 wieder aufgeweitet. -
2 zeigt eine einfacher herstellbare Ausführung mit einer in der Praxis ähnlichen Wirkung: hier besorgt ein zylindrischer Drallkörper18 mit bohrerartigern Ausfräsungen die drehende Verwirbelung, mit der das Medium mit den Abrasivstoffen in die Druckkammer17 eintritt, die in die Düseneinheit16 übergeht. Liste in Abfolge der ziterten Patente: - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
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- US 6846211 [0009, 0029, 0029]
- DE 19649921 [0009, 0029, 0029]
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- US 5169065 [0009, 0029, 0029]
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- DE 19640921 C1 [0009, 0029, 0029]
- US 5056718 [0009, 0029, 0029]
- US 6119964 [0011, 0029, 0029, 0029]
- DE 102006015805 A1 [0011]
- US 4945688 [0012, 0029, 0029]
- US 5312040 [0012, 0029, 0029]
- US 5226565 [0012, 0029, 0029]
- US 5921456 [0013]
- US 6688947 [0013, 0029, 0029]
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- EP 0526087 A1 [0014, 0029]
- US 7762812 [0014, 0029, 0029]
- US 6601783 [0014, 0029, 0029]
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- US 6842453 [0029, 0029]
- DE 10015805 A1 [0029, 0029]
- US 5921845 [0029, 0029]
- EP 052687 A1 [0029]
Claims (9)
- Düse zum Abstrahlen von Medien mit vorher eingemischten abrasiven Inhaltsstoffen bei Eingangsdrücken von 4 bis 10 bar, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse aus halbstarren Kunststoffen, wie Polymethylmetarylat (PMMA) oder hart-PVC, besteht.
- Düse zum Abstrahlen von Medien mit abrasiven Inhaltsstoffen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein spiralförmiger Drallkörper vor dem Eintritt des Mediums in die Verdichtungszone angeordnet ist.
- Düse zum Abstrahlen von Medien mit abrasiven Inhaltsstoffen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallkörper eine konisch sich verengende Form mit 15° bis 25° zur Achse aufweist.
- Düse zum Abstrahlen von Medien mit abrasiven Inhaltsstoffen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sprialgang des Drallkörpers etwa (±1) so viele Windungen aufweist, wie sein Durchmesser in Millimetern an der dicksten Stelle beträgt.
- Düse zum Abstrahlen von Medien mit abrasiven Inhaltsstoffen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungszone hinter dem Drallkörper eine zirkulare Verengung der Wandung im Winkel von beidseitig 15° bis 20° zur Düsenachse aufweist.
- Düse zum Abstrahlen von Medien mit abrasiven Inhaltsstoffen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Düsenrohr vom Ende der Verdichtungszone bis zur Aufweitung des Endrohrs am Austritt geradlinig verläuft.
- Düse zum Abstrahlen von Medien mit abrasiven Inhaltsstoffen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenmund (Austrittsbereich) eine Aufweitung von beidseitig 20 bis 25° zur Düsenachse aufweist.
- Düse zum Abstrahlen von Medien mit abrasiven Inhaltsstoffen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenmund eine Wanddicke von maximal 1 Millimeter aufweist.
- Düse zum Abstrahlen von Medien mit abrasiven Inhaltsstoffen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände von Düsenrohr, Verdichtungs- und Austrittsbereich glatt ausgeführt sind.
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