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Die Erfindung betrifft Düse zum Ausblasen von Druckluft, mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1, aufweisend einen Mantelabschnitt, der sich von einem Zufuhrende zu einem Abgabeende erstreckt und wenigstens teilweise axial verläuft, sowie einem einstückig gefertigten Stirnabschnitt, der sich auf Seiten des Abgabeendes vom Mantelabschnitt radial nach innen erstreckt, wobei eine Mehrzahl von Helixkanälen durch den Stirnabschnitt hindurch verlaufen, von denen jeder wenigstens abschnittsweise in tangentialer Richtung geneigt ist und in jeweils eine erste Abgabeöffnung für Druckluft mündet.
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Die
US 2 917 244 A zeigt eine gattungsgemäße Druckluftdüse für Reinigungszwecke mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Die Helixkanäle sind radial außen um einen einzigen zentralen, geraden und axialparallel verlaufenden Luftkanal angeordnet. Die
US 2 917 244 A weist darauf hin, dass mehrere Helixkanäle um einen einzigen, zentralen Hauptluftkanal anzuordnen sind, um ein Aufwirbeln von durch den Hauptluftstrom erfassten, zu beseitigenden Objekten in Richtung eines Bedieners der Druckluftdüse zu verhindern.
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Die
DE 21 35 298 A offenbart eine Druckluftdüse für Reinigungszwecke, die einen zentralen, geraden und axialparallel verlaufenden Düsenkanal aufweist, der radial außenseitig von vier ringförmigen Luftaustrittsöffnungen umgeben ist. Diese Luftaustrittsöffnungen sind in einem spitzen Winkel zur Düsenmittelachse geneigt angeordnet, um einen kegelförmigen Luftmantel um den aus dem zentralen Düsenkanal ausströmenden Düsenstrahl herum auszubilden.
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Bei verschiedenen industriellen Prozessen muss ein Werkstück oder eine Vorrichtung zur Herstellung oder Bearbeitung eines Werkstücks gekühlt werden. Eine solche Kühlung kann bspw. notwendig sein, weil ein - parallel oder vorher stattfindender - Prozessschritt nur bei erhöhter Temperatur durchführbar ist oder weil bei diesem Wärme zwangsläufig erzeugt wird, z.B. durch Reibung. Verschiedene Urformverfahren sind ebenfalls mit einer Erwärmung verbunden. Bspw. wird beim Spritzgießen ein thermoplastisches Material bei erhöhter Temperatur in die Gussform eingespritzt. Auch die Urformung von Bauteilen aus Gummi wird bei erhöhter Temperatur durchgeführt, um die Vulkanisierung zu ermöglichen bzw. zu beschleunigen. Insbesondere diejenigen Teile der Form, die die formgebende Kavität bilden, müssen daher normalerweise kontinuierlich oder wiederholt gekühlt werden.
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Sofern die entsprechende Form aus Metall besteht, ist eine effektive Kühlung dadurch möglich, dass eine Kühlflüssigkeit (normalerweise Wasser) durch Kanäle innerhalb der Form geführt wird. Aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit von Metallen wird durch die primär nur lokale Kühlung im Bereich der Kanäle eine effektive Gesamtkühlung der Form erreicht. In jüngerer Zeit findet allerdings im Bereich der Urformung zunehmend das sogenannte „Hybrid Tooling“ Anwendung, bei dem der eigentlich formgebende Teil der Form durch einen Einsatz gebildet wird, der in einen Rahmen eingesetzt wird. Das Konzept sieht hierbei vor, dass ein und derselbe Rahmen mit unterschiedlichen Einsätzen verwendet werden kann. Aus Gründen der Kosten- sowie Zeitersparnis wird der Einsatz dabei oftmals aus Kunststoff in einem 3D-Druckverfahren hergestellt. Der Rahmen kann ggf. aus Kunstharz gegossen sein, es kann allerdings auch ein Metallrahmen verwendet werden.
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In jedem Fall besteht zumindest der Teil der Form, der die Kavität bildet, aus einem Material mit schlechter Wärmeleitfähigkeit, die normalerweise um etwa zwei Zehnerpotenzen unter derjenigen von Stahl liegt. Daher ist eine Flüssigkeitskühlung wie bei einer Metallform ineffizient. Allerdings kann eine direkte Kühlung der Form und insbesondere des Einsatzes mittels Luft durchgeführt werden. Dabei wird Druckluft durch eine oder mehrere Düsen abgegeben und der so erzeugte Luftstrom auf das zu kühlende Teil gerichtet. Prinzipiell lässt sich der Wärmetransport dadurch vergrößern, dass die Geschwindigkeit der anströmenden Luft erhöht wird. Dies wird wiederum durch eine Erhöhung des Druckes erreicht, was allerdings kostenintensiv ist.
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Die
US 9,056,328 B2 offenbart eine Druckluftpistole mit einer Düse, die mit einem zylinderähnlichen Hülsenkörper verschraubt ist. Angrenzend an die Düse ist innerhalb des Hülsenkörpers ein Wirbelerzeuger angeordnet, der einen zylindrischen Mantel und eine Mehrzahl von darin angeordneten, jeweils helixartig gewundenen Wandungen aufweist. Ein Luftstrom, der zur Düse hingeführt wird, soll durch die Form der Wandungen verwirbelt werden.
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Aus der
US 2015/0366424 A1 ist ein Endstück für eine Blasvorrichtung wie ein Laubbläser bekannt, bei dem innerhalb eines äußeren Rohrs eine Mehrzahl von Leitflächen angeordnet sind. Die Leitflächen können dabei insbesondere helixartig verlaufen. Optional kann innenseitig der Leitflächen ein inneres Rohr vorgesehen sein, wobei ein gesamter Luftstrom einerseits innerhalb des inneren Rohres und andererseits zwischen innerem und äußerem Rohr verläuft. Der äußere Luftstrom wird durch die Ausrichtung der Leitflächen verwirbelt.
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Die
US 2010/0034604 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Säubern von Bohrlöchern mittels Druckluft. Dabei ist innerhalb eines äußeren Mantels, der um das Bohrloch herum angesetzt wird, eine Düse angeordnet, die in das Bohrloch eingeführt werden kann. Sie wird durch ein Rohr gebildet, dessen Endabschnitt in drei Segmente unterteilt ist, die gegeneinander verdreht und miteinander verbunden sind. Dabei sind zwischen den Segmenten seitliche Öffnungen ebenso wie eine zentrale stirnseitige Öffnung für Druckluft gegeben. Durch die Verdrehung der einzelnen Segmente wird ein austretender Luftstrom verwirbelt, wodurch Späne effektiver aus dem Bohrloch herausgeblasen werden können.
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Die
US 9,296,277 B2 offenbart eine Auslassvorrichtung für ein Belüftungssystem eines Kraftfahrzeugs, bei dem der Luftstrom in einen ersten Teilstrom innerhalb eines zentralen Kanals und einen zweiten Teilstrom innerhalb eines äußeren Kanals aufgeteilt wird. Innerhalb des äußeren Kanals sind eine Mehrzahl von helixartigen Leitwänden angeordnet, wodurch der Luftstrom dort umlaufend umgelenkt wird. Durch eine Art Ventil können unterschiedliche Anteile des Luftstroms dem ersten oder dem zweiten Teilstrom zugeführt werden.
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Die
DE 103 36 379 A1 zeigt eine Saugdüse, bspw. für ein Belüftungssystem eines Kraftfahrzeugs, mit einem Saugrohr und einem Strömungskanal, wobei der Strömungskanal eine Verengung im Bereich eines Endes des Saugrohres aufweist. Dabei ist vorgesehen, dass der Strömungskanal gekrümmt oder bogenförmig ausgebildet ist, so dass die durch ihn geleitete Luft einen Drall erhält, was wiederum zu einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit und einer Verbesserung der Saugwirkung führt.
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In der
DE 37 36 448 A1 ist ein Luftdrallauslass zum Einblasen von Zuluft in einen Raum gezeigt, bspw. für eine Klimaanlage. Dabei sind koaxial innerhalb eines Luftleitkanals mindestens zwei zueinander koaxiale Kränze schwenkbarer Drallschaufeln angeordnet. Hierdurch kann pro Kranz jeweils einen Teilstrom mit individuell einstellbaren Drall erzeugt werden.
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Die
US 5,832,974 A offenbart eine Luftblaspistole mit einer Klemmvorrichtung, die einen Haupthalter, eine Klemme, eine Kompensationshülse und ein Luftspülrohr enthält. Die als Hülse ausgebildete Klemme ist dabei über ein Gewinde mit dem Haupthalter verbunden. Die Kompensationshülse, die auf die Klammer aufgeschraubt wird, weist eine konische Bohrung auf, um Klemmstreifen in Richtung der Mitte zu drücken und hiermit das Luftspülrohr festzuklemmen. Das Luftspülrohr ist in gelösten Zustand innerhalb der Kompensationshülse verschiebbar und weist einen abgeknickten Endbereich auf.
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Die
US 2016/0075309 A1 zeigt eine Luftblasvorrichtung, bspw. für die Belüftung im Bereich der Windschutzscheibe eines Fahrzeugs, mit einem Einlasskanal, von dem T-artig zwei Seitenabschnitte abzweigen, in denen jeweils helixartig verlaufende Leitwandungen angeordnet sind. Der Drehsinn der Leitwandungen ist hierbei in den beiden Seitenabschnitten entgegengesetzt. An den Seitenabschnitten sind Auslässe vorgesehen, durch die die Luft quer zur Erstreckungsrichtung der Seitenabschnitte im Wesentlichen tangential ausgeblasen wird.
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Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet die Bereitstellung einer effizienten und gezielten Druckluftabgabe, insbesondere für die Luftkühlung eines Objekts, noch Raum für Verbesserungen. Insbesondere wäre es wünschenswert, eine effektive Luftkühlung bei möglichst geringem Luftdruck zu erreichen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine effiziente und gezielte Druckluftabgabe zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Düse mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Unteransprüche vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Durch die Erfindung wird eine Düse zum Ausblasen von Druckluft zur Verfügung gestellt. Dies bedeutet, dass, wenn die Düse an eine geeignete Druckluftzufuhr angeschlossen wird, sie die Druckluft ausbläst bzw. gezielt nach außen abgibt, typischerweise in Form eines Luftstroms. Selbstverständlich kann die Düse auch zum Ausblasen anderer druckbeaufschlagter Gase verwendet werden. Auch ist es vorstellbar, dass durch die Düse z.B. ein Gas-Flüssigkeit-Gemisch ausgestoßen wird. Vorrangig ist die erfindungsgemäße Düse allerdings zur Verwendung mit Druckluft vorgesehen. Wenn insofern im Folgenden von „Druckluft“ gesprochen wird, so impliziert dies auch immer eine mögliche Verwendung anderer Gase bzw. von Gas-Flüssigkeitsgemischen. Insbesondere kann die Düse einen Teil einer Fertigungsvorrichtung bilden, wobei sie zur Erzeugung eines Kühlluftstroms dient. Daneben kann aber auch vorgesehen sein, dass die Düse als Teil einer herkömmlichen Luftblaspistole eingesetzt wird.
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Die Düse weist einen Mantelabschnitt auf, der sich von einem Zufuhrende zu einem Abgabeende erstreckt und wenigstens teilweise axial verläuft. Das Zufuhrende ist dabei dasjenige Ende, von dem aus die Druckluftzufuhr der Düse vorgesehen ist, während das Abgabeende dasjenige Ende ist, an dem die Druckluft abgegeben bzw. ausgestoßen wird. Die axiale Richtung kann dabei insbesondere einer Mittelachse bzw. einer Symmetrieachse der Düse entsprechen. Allgemein wird hierdurch ein Bezugssystem mit axialer, tangentialer und radialer Richtung definiert. Typischerweise verläuft der Mantelabschnitt auf seiner gesamten Länge in axialer Richtung, wenngleich es denkbar ist, dass er bspw. in Richtung auf das Zufuhrende von diesem Verlauf abweicht. Wenigstens ist ein axialer Verlauf allerdings in Richtung auf das Abgabeende gegeben. Der Mantelabschnitt bildet dabei wenigstens abschnittsweise eine mantelartige äußere Wandung der Düse. Er kann insbesondere zylindermantelartig bzw. rohrartig ausgebildet sein, wobei auch eine prismatische oder prismenähnliche Ausbildung denkbar wäre. Normalerweise ist er zwischen dem Zufuhrende und dem Abgabeende in radialer Richtung (also seitlich) geschlossen ausgebildet, so dass dort keine Druckluft entweichen kann. Der Mantelabschnitt kann verschiedene Strukturen zum Eingriff mit einem Werkzeug oder einem anderen Bauteil aufweisen, bspw. einen Außensechskant, ein Innengewinde oder ein Außengewinde.
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Weiterhin weist die Düse einen einstückig gefertigten Stirnabschnitt auf, der sich auf Seiten des Abgabeendes vom Mantelabschnitt radial nach innen erstreckt. Der Stirnabschnitt ist auf Seiten des Abgabeendes angeordnet und schließt sich an den Mantelabschnitt an. Er ist allgemein mit diesem starr verbunden, bspw. kraftschlüssig oder stoffschlüssig. Bevorzugt kann der Stirnabschnitt nicht nur in sich einstückig gefertigt sein, sondern auch einstückig mit dem Mantelabschnitt. Sämtliche Teile der Düse können aus Metall gefertigt sein. Dabei kann zur Herstellung insbesondere ein additives Fertigungsverfahren wie selektives Laserschmelzen (SLM), selektives Elektronenstrahlschmelzen (SEBM), oder selektives Lasersintern (SLS) eingesetzt werden. Mit diesem Verfahren lassen sich nahezu beliebig geformte dreidimensionale Körper aufbauen, indem Metallpulver schichtweise aufgetragen und selektiv verschmolzen bzw. gesintert wird. Die hierzu auf das Metallpulver einwirkende Strahlung wird entsprechend vorgegebener Daten (z.B. CAM-Daten) des herzustellenden Objekts gesteuert. Der Stirnabschnitt erstreckt sich vom Mantelabschnitt aus radial nach innen und bildet gewissermaßen eine Stirnfläche der Düse, während der Mantelabschnitt wie erwähnt die Mantelfläche bildet.
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Es verlaufen eine Mehrzahl von Helixkanälen durch den Stirnabschnitt hindurch, von denen jeder wenigstens abschnittsweise in tangentialer Richtung geneigt ist und in jeweils eine erste Abgabeöffnung für Druckluft mündet. Da jeder Helixkanal in jeweils eine erste Abgabeöffnung mündet, ist somit eine Mehrzahl von ersten Abgabeöffnungen vorgesehen. Es handelte sich dabei jeweils um eine Öffnung, durch die Druckluft aus dem Inneren der Düse nach außen abgegeben bzw. ausgestoßen wird. Anders ausgedrückt, jede erste Abgabeöffnung bildet den Ausgang jeweils eines Helixkanals. Der jeweilige Helixkanal verläuft durch den Stirnabschnitt hindurch, also von einer dem Abgabeende abgewandten Öffnung, die als Eintrittsöffnung bezeichnet werden kann, zur jeweiligen ersten Abgabeöffnung. Dabei erstreckt sich der Helixkanal selbstverständlich in axialer Richtung, ist allerdings wenigstens abschnittsweise in tangentialer Richtung geneigt. Anders ausgedrückt, wenn man die jeweilige Verlaufsrichtung des Helixkanals bestimmt, so hat diese eine axiale und eine tangentiale Komponente. Dies schließt die Möglichkeit ein, dass zusätzlich eine Neigung in radialer Richtung gegeben ist. Der Helixkanal kann unter Umständen gerade verlaufen, wobei er allerdings die beschriebene Neigung aufweist. Insofern ist die Bezeichnung „Helixkanal“ nicht einschränkend auszulegen. Allerdings verläuft normalerweise jeder Helixkanal wenigstens abschnittsweise, bevorzugt vollständig, helixförmig, also entsprechend einer Helix bzw. Schraubenlinie. Eine derartige Schraubenlinie kann in konstantem radialen Abstand zur Mittelachse verlaufen. Die tangentiale Neigung kann entlang des jeweiligen Helixkanals konstant oder auch veränderlich sein.
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Um die Luftführung innerhalb des Stirnabschnitts zu optimieren, sind die einzelnen Helixkanäle bevorzugt voneinander getrennt, d.h. es besteht innerhalb des Stirnabschnitts keine Verbindung zwischen den einzelnen Kanälen. Der Querschnitt jedes der Helixkanäle kann dabei in jeder Richtung eine ähnliche Abmessung aufweisen, wodurch sich bei einer bestimmten Querschnittsfläche die Luftreibung reduzieren lässt. Insbesondere kann der Querschnitt kreisähnlich (z.B. elliptisch) oder kreisförmig ausgebildet sein. Hinsichtlich der Anzahl der Helixkanäle bestehen unterschiedliche Möglichkeiten, bevorzugt sind allerdings wenigstens 4, wenigstens 6 oder wenigstens 8 Helixkanäle vorgesehen.
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Durch das Vorhandensein der Helixkanäle erfährt der durch diese austretende Luftstrom eine tangentiale, also gewissermaßen umlaufende Geschwindigkeitskomponente und durch das Zusammenspiel der Luftströme aus den einzelnen Helixkanälen kommt es zu einer turbulenten Verwirbelung, durch die Wärme wesentlich effektiver von einem zu kühlenden Objekt abgeführt werden kann, wenn der Luftstrom auf dieses gerichtet wird. Von Bedeutung ist hierbei, dass der Luftstrom nicht in beliebiger Weise turbulent verwirbelt wird, wodurch sich seine Reichweite und Lenkbarkeit nachteilig verringern könnten, sondern es durch eine geeignete Anordnung der Helixkanäle immer noch möglich ist, den Luftstrom gezielt auf bestimmte Bereiche eines Objekts zu richten. Auch hat sich gezeigt, dass es sogar zu kooperativen Effekten zwischen den einzelnen Luftströmungen kommen kann, durch die der Luftstrom sogar nach dem Austreten aus Abgabeöffnungen beschleunigen kann, statt langsamer zu werden. Hierdurch ist es möglich, auch bei Einsatz von relativ geringem Luftdruck eine effektive Kühlung zu erreichen. Die somit mögliche Druckreduzierung führt zu einer erheblichen Kostenersparnis.
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Bevorzugt sind die Helixkanäle tangential zueinander versetzt angeordnet. D.h., die Helixkanäle sind um einen bestimmten Winkel bezüglich der Mittelachse zueinander versetzt. Die einzelnen Helixkanäle können dabei insbesondere gleichartig ausgestaltet sein. Sie können symmetrisch bezüglich der Mittelachse, also im gleichen radialen Abstand von dieser sowie in gleichen Winkelabständen zueinander, angeordnet sein. Es versteht sich, dass geringfügige Abweichungen von der beschriebenen Symmetrie oder der gleichartigen Ausgestaltung der Helixkanäle im Allgemeinen zu keinen wesentlichen Änderungen im Strömungsverhalten führen.
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Erfindungsgemäß weist der Stirnabschnitt radial außenseitig der Helixkanäle eine Mehrzahl von tangential zueinander versetzten Axialkanälen auf, wobei jeder Axialkanal in jeweils eine zweite Abgabeöffnung für Druckluft mündet. D. h. bezüglich der Mittelachse liegen hierbei die Helixkanäle innen und die Axialkanäle außen. Entsprechend liegen die ersten Abgabeöffnungen radial innen und die zweiten Abgabeöffnungen liegen radial außen. Während die Helixkanäle wie beschrieben tangential geneigt sind und insbesondere helixförmig ausgebildet sein können, sind die Axialkanäle erfindungsgemäß gerade ausgebildet. Außerdem verlaufen sie bevorzugt parallel zur axial-radialen Ebene, wobei sie insbesondere parallel zur axialen Richtung verlaufen können. Somit erfährt derjenige Teil der Druckluft, der durch die Axialkanäle strömt und aus den zweiten Abgabeöffnungen abgegeben wird (den man als äußeren Teilstrom bezeichnen könnte), insgesamt keine tangentiale Beschleunigung und trägt insofern nicht zur Verwirbelung des gesamten Luftstroms bei bzw. nicht in dem Maße wie derjenige Luftstrom, der aus den ersten Abgabeöffnungen strömt (den man als inneren Teilstrom bezeichnen könnte). Es kann hierbei zu unterschiedlichen Effekten kommen, so bspw., dass der äußere Teilstrom dazu beiträgt, den gesamten Luftstrom einzuengen, gewissermaßen zu fokussieren. Daneben kann es auch dazu kommen, dass der äußere Teilstrom durch den inneren Teilstrom mitgerissen wird und ebenfalls eine tangentiale Beschleunigung erfährt.
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Auch der Querschnitt der Axialkanäle kann eine in alle Richtungen ähnliche Querabmessung aufweisen, also insbesondere kreisähnlich oder kreisförmig sein. Die Axialkanäle können symmetrisch bezüglich der Mittelachse und somit in gleichen Winkelabständen zueinander angeordnet sein. Sämtliche Axialkanäle können gleich dimensioniert sein. Hinsichtlich der Anzahl bestehen prinzipiell keinerlei Einschränkungen, allerdings können insbesondere wenigstens acht, wenigstens zehn oder wenigstens zwölf Axialkanäle vorgesehen sein. Die zweiten Abgabeöffnungen können dabei in einem axial vertieften Bereich des Stirnabschnitts angeordnet sein. Ein derart vertieften Bereich weicht gegenüber angrenzenden Bereichen in axialer Richtung in Richtung auf das Zufuhrende zurück. Insbesondere kann der axial vertiefte Bereich tangential umlaufend, also ringförmig ausgebildet sein, nach Art einer ringförmigen Vertiefung bzw. Rinne.
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Zur Ausbildung des gewünschten Strömungsprofils außerhalb der Düse ist es bevorzugt, dass der Stirnabschnitt radial innenseitig der Helixkanäle geschlossen ausgebildet ist. Mit anderen Worten, die Helixkanäle bilden die innersten Öffnungen innerhalb des Stirnabschnitts. In einem radial weiter innen liegenden Bereich, also zur Mittelachse hin, sind keine weiteren Öffnungen vorhanden, man könnte auch sagen, der Stirnabschnitt ist dort massiv. Die Helixkanäle können dabei symmetrisch um diesen geschlossenen zentralen Bereich angeordnet sein.
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Hinsichtlich des Bereichs der Düse, der entlang der Strömungsrichtung dem Stirnabschnitt vorgelagert ist, sind unterschiedliche Ausgestaltungen denkbar. Gemäß einer Ausgestaltung schließt sich an den Stirnabschnitt in Richtung auf das Zufuhrende ein Führungskanal zum Führen von Druckluft an, der innerhalb des Mantelabschnitts tangential wenigstens überwiegend umlaufend ausgebildet ist. Der Führungskanal dient dazu, die Druckluft vom Zufuhrende zum Stirnabschnitt und somit zu den Helixkanälen und - soweit vorhanden - zu den Axialkanälen zu führen. Er erstreckt sich dabei in tangentialer Richtung wenigstens überwiegend umlaufend, insbesondere kann er vollständig umlaufend ausgebildet sein. Auch ist es bevorzugt, dass der Führungskanal symmetrisch bezüglich der Mittelachse ausgebildet ist, um ein ebenfalls symmetrisches Anströmen der Luft an den Stirnabschnitt zu ermöglichen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist radial innenseitig des Führungskanals ein mit dem Stirnabschnitt verbundener, axial verlaufender Zentralabschnitt ausgebildet. Dabei kann die Mittelachse durch den Zentralabschnitt verlaufen. Der Querschnitt des Zentralabschnitts kann symmetrisch zur Mittelachse und insbesondere kreisförmig sein. Dabei kann dieser Querschnitt im Übergangsbereich zum Stirnabschnitt zunehmen. Der zentrale Abschnitt kann sich vom Stirnabschnitt axial wenigstens über den überwiegenden Teil der Länge des Mantelabschnitts erstrecken. Durch den Zentralabschnitt kann der Luftstrom bereits vor Erreichen des Stirnabschnitts von der Mittelachse fort gelenkt werden, was insbesondere vorteilhaft ist, wenn, wie oben beschrieben, der Stirnabschnitt radial innenseitig der Helixkanäle geschlossen ausgebildet ist. Bevorzugt ist der Zentralabschnitt einstückig mit dem Stirnabschnitt verbunden, was sich im Rahmen eines additiven Fertigungsverfahrens ohne Weiteres realisieren lässt. Der Zentralabschnitt kann freitragend gegenüber dem Mantelabschnitt ausgebildet sein, so dass er ausschließlich indirekt über den Stirnabschnitt mit dem Mantelabschnitt verbunden ist.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die ersten Abgabeöffnungen radial außenseitig eines sich axial erstreckenden Vorsprungs des Stirnabschnitts angeordnet. Normalerweise ist dabei der Stirnabschnitt wie oben beschrieben radial innenseitig der Helixkanäle geschlossen ausgebildet. In diesem geschlossenen Bereich ist der axiale Vorsprung angeordnet, der also in axialer Richtung über den Bereich mit den ersten Abgabeöffnungen hinausragt. Ein derartiger Vorsprung kann bspw. dazu dienen, die Luftströme aus den einzelnen ersten Abgabeöffnungen unmittelbar nach dem Austritt gegeneinander abzuschirmen, was unter Umständen das Strömungsverhalten positiv beeinflusst. Der Vorsprung kann symmetrisch, insbesondere kreissymmetrisch, bezüglich der Mittelachse ausgebildet sein. Insbesondere kann der Vorsprung konisch, also kegelartig ausgebildet sein, wobei seine Spitze abgerundet sein kann.
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Die Führung des austretenden Luftstroms lässt sich weiterhin dadurch verbessern, dass jeder Helixkanal in eine helixförmig verlaufende Vertiefung an einer Außenseite des Vorsprungs übergeht. Bei einer solchen Ausgestaltung bildet die genannte Vertiefung gewissermaßen eine Verlängerung des jeweiligen Helixkanals, wobei sie allerdings im Gegensatz zum Helixkanal den Luftstrom nicht vollständig umgibt, sondern nur teilweise, insbesondere radial innenseitig.
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Der Mantelabschnitt kann innenseitig bspw. einfach zylindrisch ausgebildet sein. Es ist allerdings auch eine weitere Strukturierung der Innenseite möglich. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Mantelabschnitt im Bereich des Führungskanals innenseitig eine Mehrzahl von axial verlaufenden Nuten auf. Derartige Nuten können sich über wenigstens die Hälfte der axialen Länge des Mantelabschnitt erstrecken, ggf. auch mehr. Die Nuten können dabei vor dem Stirnabschnitt enden oder ggf. auch bis zu diesem geführt sein. Insgesamt können sie dazu dienen, den Luftstrom innerhalb des Führungskanals auszurichten und ggf. auch zu den Axialkanälen hin zu leiten. Hierzu ist es insbesondere möglich, dass jeweils eine Nut mit einem Axialkanal fluchtet.
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Dabei kann weiterhin zwischen zwei Nuten eine Rippe ausgebildet sein, die entlang der axialen Richtung radial nach innen vorspringt. Aufgrund des axialen Verlaufs der Nuten verläuft selbstverständlich auch die entsprechende Rippe axial. Derartige Rippen unterstützen die Führung bzw. die Aufteilung des Luftstroms. Dadurch, dass die Rippe radial nach innen vorspringt, gibt sich hier lokal eine Verengung des Querschnitts des Mantelabschnitts. Hinsichtlich der Formgebung der Rippe bestehen unterschiedliche Möglichkeiten. Insbesondere kann die Rippe konvex, also gewölbt, nach innen vorspringen.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
- 1 eine perspektivische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Düse;
- 2 eine perspektivische Darstellung eines Teils der Düse aus 1;
- 3 eine perspektivische Darstellung eines Druckluftverteilers mit einer Mehrzahl von Düsen entsprechend 1; sowie
- 4 eine perspektivische Darstellung einer Vorrichtung mit zwei Druckluftverteilern gemäß 3.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
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1 und 2 zeigen eine erfindungsgemäße Düse 1 zum Ausblasen von Druckluft, wobei 1 eine perspektivische Schnittdarstellung der gesamten Düse 1 und 2 eine perspektivische Darstellung eines Teils der Düse 1 zeigt. Die gezeigte Düse 1 besteht vollständig aus Metall und ist einstückig durch selektives Laserschmelzen (SLM) hergestellt. Sie weist einen grob zylindermantelförmigen Mantelabschnitt 2 auf, der symmetrisch bezüglich einer Mittelachse A ausgebildet ist. Durch die Mittelachse A sind eine axiale, radiale und tangentiale Richtung definiert. Der Mantelabschnitt 2 erstreckt sich axial von einem Zufuhrende 1.1 der Düse 1 zu einem Abgabeende 1.2. Auf Seiten des Zufuhrendes 1.1 kann die Düse an eine Druckluftzufuhr angeschlossen werden, wozu der Mantelabschnitt 2 ein hier nicht dargestelltes Außengewinde aufweisen kann, und am Abgabeende 1.2 kann die Druckluft ausgestoßen werden. An einer Außenseite des Mantelabschnitts 2 ist ein Außensechskant 2.3 ausgebildet, der zum Eingriff mit einem Schraubenschlüssel vorgesehen ist.
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Auf Seiten des Abgabeendes 1.2, gewissermaßen stirnseitig des Mantelabschnitt 2, erstreckt sich ein Stirnabschnitt 3 radial nach innen. Der Mantelabschnitt 2 umschließt zusammen mit dem Stirnabschnitt 3 überwiegend einen Führungskanal 10, durch den die Druckluft vom Zufuhrende 1.1 zum Stirnabschnitt 3 hingeführt wird. Innerhalb des Stirnabschnitts sind eine Reihe von Kanälen 4, 7 für die gezielte Abgabe der Druckluft ausgebildet. Eine Mehrzahl von Helixkanälen 4 ist symmetrisch um die Mittelachse A angeordnet. Im vorliegenden Fall handelt es sich um acht Helixkanäle, was allerdings nur beispielhaft zu verstehen ist. Jeder Helixkanal 4 erstreckt sich in axialer Richtung durch den Stirnabschnitt 3 hindurch und zwar von einer ersten Eintrittsöffnung 5, die an den Führungskanal 10 angrenzt, zu einer ersten Abgabeöffnung 6 an der Außenseite des Stirnabschnitts 3. Der Verlauf jedes Helixkanals 4 ist dabei helix- bzw. schraubenlinienförmig, was impliziert, dass er nicht axial verläuft, sondern in tangentialer Richtung geneigt ist. Die Helixkanäle 4 und somit auch die ersten Abgabeöffnungen 6 sind in gleichem radialen Abstand zur Mittelachse A angeordnet und um jeweils gleiche Winkelbeträge (nämlich 40°) tangential zueinander versetzt. Um die Luftreibung innerhalb der Helixkanäle 4 zu reduzieren, weisen diese einen kreisförmigen (bzw. leicht elliptischen) Querschnitt auf.
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Radial innenseitig der Helixkanäle 4 ist der Stirnabschnitt geschlossen ausgebildet und weist einen konischen axialen Vorsprung 3.2 auf. Dieser dient der Lenkung der aus den Helixkanälen 4 austretenden Luftströme und hält diese unmittelbar nach dem Austritt voneinander getrennt. Dabei sind an der Außenseite des Vorsprungs 3.2 helixförmig verlaufende Vertiefungen 3.3 ausgebildet. Jeweils ein Helixkanal 4 geht in eine der acht Vertiefungen 3.3 über, so dass jede Vertiefung 3.3 gewissermaßen ergänzend zum Helixkanal 4 den austretenden Luftstrom leitet.
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Radial außenseitig der Helixkanäle 4 ist eine Mehrzahl von Axialkanälen 7 ausgebildet, die axial durch den Stirnabschnitt 3 hindurch verlaufen. Dabei erstreckt sich jeder Axialkanal 7 von einer zweiten Eintrittsöffnung 8 zu einer zweiten Abgabeöffnung 9. Die zweiten Abgabeöffnungen 9 sind dabei innerhalb einer ringförmigen Vertiefung 3.1 des Stirnabschnitts 3 angeordnet. Im Gegensatz zu den Helixkanälen 4 sind die Axialkanäle 7 nicht in tangentialer Richtung geneigt. Im vorliegenden Fall sind fünfzehn Axialkanäle 7 vorgesehen, was allerdings nur beispielhaft zu verstehen ist. Der Querschnitt der Axialkanälen 7 ist hierbei kreisförmig oder leicht elliptisch.
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Radial innenseitig der ersten Eintrittsöffnung 5 geht der Stirnabschnitt 3 in einen Zentralabschnitt 11 innerhalb des Führungskanals 10 über. Der Zentralabschnitt 11 ist in diesem Fall kreissymmetrisch und säulenartig ausgebildet und erstreckt sich freitragend entlang der gesamten Länge des Mantelabschnitts 2. Im Übergangsbereich zum Stirnabschnitt 3 ist der Zentralabschnitt 11 kegelstumpfartig aufgeweitet. Die Funktion des Zentralabschnitts besteht im Wesentlichen darin, den Luftstrom auf dem Weg vom Zufuhrende 1.1 zum Stirnabschnitt 3 von der Mittelachse A fort und somit in etwa auf die ersten und zweiten Eintrittsöffnungen 5, 8 hin zu lenken. Ebenfalls der Lenkung des Luftstroms innerhalb des Führungskanals 10 dient eine Mehrzahl von axial verlaufenden Nuten 2.1, die sich entlang der Innenseite des Mantelabschnitts 2 bis kurz vor den Stirnabschnitt 3 erstrecken. Zwischen zwei Nuten 2.1 ist jeweils eine axial verlaufende Rippe 2.2 ausgebildet. Entlang der axialen Richtung ist jeder Rippe 2.2 konvex nach innen vor gewölbt. Im vorliegenden Fall fluchtet jeweils eine Nut 2.1 mit einem Axialkanal 7, wodurch eine Aufteilung und Führung von Teilen des Luftstroms auf die Axialkanälen 7 hin unterstützt wird.
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Im Betrieb wird die Düse 1 an eine Druckluftzufuhr angeschlossen, wodurch sich ein Luftstrom durch den Führungskanal 10 sowie die Helixkanäle 4 und die Axialkanäle 7 ergibt. Während der Luftstrom aus denen zweiten Abgabeöffnungen 9 der Axialkanälen 7 im Wesentlichen in axialer Richtung austritt, tritt der Luftstrom aus den ersten Abgabeöffnungen 6 der Helixkanäle 4 mit einer tangentialen Geschwindigkeitskomponente aus, wodurch sich im Zusammenspiel der Helixkanäle 4 einen schraubenlinienartiger Luftstrom ergibt. Dieser interagiert mit dem aus den Axialkanälen 7 austretenden Luftstrom, was zur Einengung bzw. Fokussierung des Luftstroms beitragen kann. Insgesamt hat sich gezeigt, dass der Luftstrom mit zunehmender Entfernung vom Stirnabschnitt 3 radial eingeschnürt, also gewissermaßen fokussiert wird, wobei seine Geschwindigkeit zunimmt. Daher können in einem gewissen Abstand von der Düse 1 größere Geschwindigkeiten erreicht werden, selbst wenn der am Zufuhrende 1.1 anstehende Luftdruck nur moderat ist. Gleichzeitig sorgt die schraubenlinienartige Bewegung innerhalb des Luftstroms für Turbulenzen, was im Zusammenspiel mit der hohen Strömungsgeschwindigkeit dafür sorgt, dass der Luftstrom gut zur Kühlung eines Objekts geeignet ist.
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Eine beispielhafte Verwendung der Düse 1 ist in 3 und 4 illustriert. 3 zeigt dabei einen Druckluftverteiler 21, mit vier Abgabeanschlüssen 21.1, an die jeweils eine Düse 1 angeschlossen ist. Seitlich weist der Druckluftverteiler 21 einen Zufuhranschluss 21.2 auf, der an eine Druckluftquelle angeschlossen wird. Wie in 4 dargestellt, können zwei solcher Druckluftverteiler 21 als Teile einer Vorrichtung 20 zum Urformen eines Bauteils eingesetzt werden. Der genaue Aufbau der Vorrichtung 20 ist hierbei nicht relevant und wird insoweit nicht im Detail erläutert. U.a. weist sie zwei Formhälften 22, 23 auf, die jeweils einen Rahmen und einen hierin eingesetzten Einsatz aufweisen. Der Rahmen ist dabei aus Kunstharz gegossen und der Einsatz in einem 3D-Druckverfahren aus Kunststoff hergestellt. Da beide genannten Materialien eine relativ schlechte Wärmeleitfähigkeit aufweisen, wäre eine Flüssigkeitskühlung der Formhälften 22, 23 nicht effektiv. Stattdessen wird mittels der Druckluftverteiler 21 sowie der (in 4 nicht dargestellten) erfindungsgemäßen Düsen 1 ein kühlender Luftstrom auf die Formhälften 22, 23 gerichtet, der aufgrund des oben dargestellten Strömungsverlaufs auch bei vergleichsweise geringen Luftdruck durch einen guten Wärmetransfer und somit eine gute Kühlwirkung gekennzeichnet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Düse
- 1.1
- Zufuhrende
- 1.2
- Abgabeende
- 2
- Mantelabschnitt
- 2.1
- Nut
- 2.2
- Rippe
- 2.3
- Außensechskant
- 3
- Stirnabschnitt
- 3.1, 3.3
- Vertiefung
- 3.2
- Vorsprung
- 4
- Helixkanal
- 5, 8
- Eintrittsöffnung
- 6, 9
- Austrittsöffnung
- 7
- Axialkanal
- 10
- Führungskanal
- 11
- Zentralabschnitt
- 20
- Vorrichtung
- 21
- Druckluftverteiler
- 21.1
- Abgabeanschluss
- 21.2
- Zufuhranschluss
- 22, 23
- Formhälfte
- A
- Mittelachse
