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Die elektrohydrodynamische Zerstäubung von Fluiden gewinnt im Bereich der Beschichtungsverfahren zunehmend an Bedeutung. Beispielsweise ist aus der PCT/
EP2018/060117 ein Gerät bekannt, welches unter Nutzung der elektrohydrodynamischen Zerstäubung z.B. Pflegeprodukte wie beispielsweise Sonnenschutz auf einen Körper einer Person aufträgt.
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Aus dem Stand der Technik sind ebenfalls übliche Peristaltikpumpen, sogenannte Wälzpumpen oder Schlauchpumpen, bekannt. Dabei wird nach dem Prinzip einer Verdrängerpumpe ein Fluid durch mechanische Deformation eines Schlauchabschnitts vorangedrückt und somit pumpend gefördert. Derartige Pumpen finden auch Einsatz bei oben genannten Geräten, um ein zu zerstäubendes Fluid zu den Zerstäuberdüsen zu fördern, an welchen das Fluid sodann einer Hochspannung ausgesetzt wird, um die elektrohydrodynamische Zerstäubung herbeizuführen.
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Bei der elektrohydrodynamischen Zerstäubung von Fluiden, insbesondere von Pflegeprodukten wie z.B. Sonnencreme hat sich allerdings die Problematik ergeben, dass einzelne Düsen verstopfen können und als Folge davon ein zusätzlicher Volumenstrom durch die Pumpe auf die weiteren verbleibenden offenen Düsen beaufschlagt wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es somit, ausgehend von einem Fluidtank für mehrere Düsen ein Verstopfen der Düsen zu vermeiden, um eine elektrohydrodynamische Zerstäubung in geforderter Qualität zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Pumpensystem gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sowie zweckmäßige Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung betrifft ein Pumpensystem für ein Zerstäuberdüsensystem mit mindestens zwei Zerstäuberdüsen, insbesondere für einen elektrohydrodynamischen Zerstäuber, wobei das Pumpensystem mindestens ein Schlauchpaket sowie mindestens einen Pumpenrotor und mindestens einen Wälzkörper zur Ausbildung eines Wälzbereichs einer Peristaltikpumpe umfasst. Das Pumpensystem ist dadurch gekennzeichnet, dass das Schlauchpaket mindestens dieselbe Anzahl an Schlauchkanälen wie die Anzahl der Zerstäuberdüsen, bevorzugt mindestens zwei, insbesondere drei Schlauchkanäle, umfasst und dass jeder Schlauchkanal einem Anschluss einer Zerstäuberdüse zugeordnet ist und diesen mit dem Wälzbereich verbindet.
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Die Versorgung jeder einzelnen Zerstäuberdüse mit einem eigenen Schlauchkanal erzwingt einen Volumenstrom durch jede einzelne Zerstäuberdüse, so dass im Falle einer einsetzenden Verstopfung das geförderte nachfolgende Volumen des Fluids einen verstopfenden Pfropf zwangsweise herausfördert, und damit ein Fluidstrom durch die Düse stets gewährleistet ist.
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Die Verwendung eines Schlauchpakets mit mehreren Schlauchkanälen bietet dabei den Vorteil, dass eine gemeinsame Führung des Schlauchpakets im Gerät einfach vorgesehen werden kann, ohne dass Einzelschläuche geführt werden müssen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass jeder Schlauchkanal einen Fluidtank durch den Wälzbereich hindurch mit einer Zerstäuberdüse unmittelbar verbindet.
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Durch die Ausbildung einzelner Schlauchkanäle vom Fluidtank bis zu den Zerstäuberdüsen wird jede Düse unmittelbar mit Fluid aus dem Fluidtank versorgt, ohne dass eine hydraulische Kommunikation/Wechselwirkung, z.B. ein Druckausgleich oder ein dadurch bedingter Volumenstrom zwischen den Kanälen, der einzelnen Transportwege erfolgen kann. Dadurch ist ein vorgegebener Volumenstrom an jeder einzelnen Zerstäuberdüse erzwungen, was zu einer prozesssicheren elektrohydrodynamischen Zerstäubung führt.
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Alternativ sieht eine Ausführungsform vor, dass ein Schlauchkanal von einem Fluidtank bis vor den Wälzbereich verläuft, vor dem Wälzbereich eine Aufteilung in mindestens zwei, bevorzugt drei oder mehr Schlauchkanäle ausgebildet ist und diese Schlauchkanäle durch den Wälzbereich bis zu jeweils einer dem jeweiligen Schlauchkanal zugeordneten Zerstäuberdüse verlaufend angeordnet sind.
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Die Verwendung eines einzelnen Schlauchkanals vom Fluidtank bis vor den Wälzbereich erleichtert zum einen die Anbindung an ein Ventilsystem des Fluidtanks und spart zum anderen Bauraum und Kosten, da weniger Schlauchmaterial zwischen Fluidtank und Wälzbereich vorgesehen werden muss. Im Wälzbereich, in welchem der Förderdruck für die Beaufschlagung der einzelnen Zerstäuberdüsen erzeugt wird, müssen sodann getrennte Schlauchkanäle vorgesehen werden, so dass vorab eine Aufteilung, z.B. durch Y-Elemente oder dergleichen erfolgt.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht überdies vor, dass mindestens eine Zerstäuberdüse mit mindestens zwei Schlauchkanälen verbunden ist.
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Durch die Nutzung mehrerer Schlauchkanäle pro Zerstäuberdüse, wobei jeder Schlauchkanal für sich ein definiertes Fluidvolumen fördert, kann eine überdies erhöhte Prozesssicherheit und Fehlervermeidung bei der elektrohydrodynamischen Zerstäubung erzielt werden, da kleinere Querschnitte genutzt werden können und Redundanzen erzielt werden. Durch den Einsatz kleinerer Schlauchdurchmesser können z.B. im Gehäuse engere Biegeradien realisiert werden, was den Gestaltungsfreiraum der Gerätearchitektur erhöht.
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Bei einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung sind mindestens zwei, vorzugsweise drei, insbesondere vier Wälzkörper im Pumpensystem ausgebildet, wobei jeder Wälzkörper mindestens einem Schlauchkanal individuell zugeordnet ist.
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Durch die Verwendung einzelner Wälzkörper oder einzelner Wälzkörpergruppen, wobei die Wälzkörpergruppen mehrere Wälzkörper umfassen, für jeweils einen Schlauchkanal kann ein Versatz der Wälzbewegungen zwischen den Schlauchkanälen erzeugt werden, indem die einzelnen Wälzkörpergruppen z.B. Winkelversetzt auf dem Pumpenrotor angeordnet sind, um eine gleichmäßige Fluidströmung zu erzeugen und insbesondere um Pulsationseffekte zu verringern. Auch ist es möglich, die Wälzkörper an die Schlauchkanal-Geometrie anzupassen und/oder die Anordnung im Gehäuse des Zerstäubers hinsichtlich des Bauraums und der Ergonomie zu optimieren.
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Eine überdies zweckmäßige Ausführungsform sieht vor, dass mindestens zwei, vorzugsweise drei Pumpenrotoren ausgebildet sind, wobei jeder Pumpenrotor mindestens einen Wälzkörper oder mindestens eine Wälzkörpergruppe bewegt und mindestens einem Schlauchkanal zugeordnet ist.
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Die Verwendung einzelner Pumpenrotoren, welche über einen gemeinsamen Motor oder auch über getrennte Motoren oder Motorgruppen angetrieben werden, erlaubt eine verbesserte Regelung der Leistung des Pumpensystems. Überdies ist es auch dabei möglich, die Pumpenrotoren an die Schlauchkanal-Geometrie oder den Schlauchkanal Verlauf anzupassen und/oder die Anordnung im Gehäuse des Zerstäubers hinsichtlich des Bauraums und der Ergonomie zu optimieren.
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Die Erfindung sieht weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines elektrohydrodynamischen Zerstäubers vor, wobei der Zerstäuber mindestens eine, insbesondere zwei, bevorzugt drei oder mehr Zerstäuberdüsen umfasst, und ein oben beschriebenes erfindungsgemäßes Pumpensystem umfasst ist und über das Pumpensystem jeder Zerstäuberdüse ein definierter Volumenstrom eines Fluids aufgezwungen wird.
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Die elektrohydrodynamischen Zerstäubung beruht auf der Instabilität von elektrisch aufladbaren Fluiden, insbesondere unter Hochspannung hinreichend elektrisch leitenden Fluiden, in einem starken inhomogenen elektrischen Feld. Das Fluid wird dabei mit einer Hochspannung beaufschlagt. Das Fluid verformt sich dabei zu einem Kegel, von dessen Spitze aus ein dünner Strahl, ein sogenannter Jet emittiert wird, der unmittelbar danach in ein Spray aus fein dispergierten Tropfen zerfällt. Unter bestimmten Bedingungen, im Taylor-Kegel Modus, besitzen die Tropfen eine schmale Größenverteilung. Durch die Zusammenwirkung mit einer erzwungenen hydraulischen Bereitstellung eines Fluidstroms kann eine Zerstäubungswirkung überdies verbessert werden.
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Eine zweckmäßige Weiterbildung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass am Ausgang einer Zerstäuberdüse ein hydraulisch erzeugter Freistrahl in Form einer Fluidsäule entsteht, welcher erst nach einem Freistrahlbereich durch elektrohydrodynamische Wechselwirkung eine Zerstäubung ausbildet.
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Durch den erzeugten Freistrahl können die elektrohydrodynamischen Wechselwirkungen mehr Freiheitsgrade entfalten, so dass eine feinere Zerstäubung außerhalb des vorher geometrisch definierten Düsenkanals gegeben ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist bei einem Durchmesser einer Öffnung der Zerstäuberdüse von 0,1 mm bis 0,3 mm, bevorzugt 0,2 mm und/oder einer Länge von einem Fluidkanal in der Zerstäuberdüse von 3 mm bis 15 mm, bevorzugt im Bereich eines Isolators ein Freistrahl von 10 mm bis 15 mm ausgebildet.
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Dabei wird das Fluid weit vor die Düsenöffnung gebracht, und der Zerstäubungsprozess kann sich gegenüber der Umgebung frei ausbilden, wobei die Richtung der Zerstäubung durch die allgemeine Kinematik, insbesondere durch die hydraulische Ausbringung des Fluidstroms vorgegeben ist.
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Unter einem Schlauchpaket im Sinne der Erfindung versteht sich jede Ansammlung von Schläuchen, welche in einer Peristaltikpumpe (Wälzpumpe) zum Einsatz kommen können. Dabei ist es unerheblich, ob das Schlauchpaket als gemeinsam extrudierter Mehrkanal-Schlauch oder als Kombination von Einzelschläuchen ausgebildet ist.
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Ein Pumpensystem im Sinne der Erfindung umfasst neben dem eigentlichen Pumpenaggregat auch die notwendigen Schläuche, da bei einer Peristaltikpumpe (Wälzpumpe) das Pumpvolumen durch denjenigen Schlauchabschnitt gegeben ist, welcher durch die Wälzkörper bearbeitet wird, um ein darin enthaltenes Fluidvolumen vor dem Wälzkörper her zu bewegen.
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Die Erfindung soll anhand des nachfolgenden Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Der Gegenstand der Erfindung ist jedoch nicht auf die dargestellte Ausführungsform beschränkt.
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Es zeigen
- 1 eine Explosionsdarstellung einer Peristaltikpumpe;
- 2 eine Draufsicht auf eine Peristaltikpumpe mit sichtbarem Wälzbereich;
- 3 einen Querschnitt durch ein Schlauchpaket;
- 4a eine schematische Darstellung eines Freistrahls aus einer Düsenöffnung;
- 4b eine schematische Darstellung eines Freistrahls aus einer zylindrischen Zerstäuberdüse;
- 4c eine schematische Darstellung eines Freistrahls aus einer konischen Zerstäuberdüse.
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Im Einzelnen zeigt 1 den Aufbau einer bekannten Peristaltikpumpe. Dabei ist in einem Pumpengehäuse, bestehend aus einem oberen Gehäuseabschnitt 1 sowie einem unteren Gehäuseabschnitt 2 ein Motor 3 angeordnet. Der Motor 3 umfasst an seiner Abtriebswelle eine Getriebeanordnung 4 welche eine vorliegend dargestellte Wälzkörpergruppe 5 antreibt. Die Wälzkörpergruppe 5 umfasst vorliegend vier Wälzkörper 6 welche drehbar gelagert auf einem Pumpenrotor 7 angeordnet sind. Derartige Peristaltikpumpe/Schlauchpumpen sind zur Verwendung mit einzelnen Schläuchen aus dem Stand der Technik bekannt.
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In 2 ist eine entsprechende Peristaltikpumpe 10 in Draufsicht dargestellt, wobei der obere Gehäuseabschnitt 1 sowie die Getriebeanordnung 4 ausgeblendet wurden.
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Die auf dem Pumpenrotor 7 angeordneten Wälzkörper 6 deformieren in einem Wälzbereich 21 einen Schlauchkanal 22 (schematisch als Linie dargestellt), um ein Fluid pumpend zu fördern. Der Schlauchkanal 22 verläuft dabei durch einen Pumpeneingang 23 in das Gehäuse 1,2 durch den Wälzbereich 21 (gestrichelt dargestellt) hin zu einem Pumpenausgang 24. Vom Pumpenausgang 24 verläuft der Schlauchkanal 22 weiter in Richtung einer ihm zugeordneten Zerstäuberdüse (nicht dargestellt). Am Pumpeneingang 23 führt der Schlauchkanal 22 Richtung Fluidtank (nicht dargestellt), wobei entweder ein einzelner Schlauchkanal 22 bis zum Fluid reicht oder mehrere Schlauchkanäle zu einem einzelnen Fluidtank-Schlauch zusammengeführt werden (nicht dargestellt).
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Zur Führung mehrerer Schlauchkanäle in den Wälzbereich 21 sind bevorzugt Schlauchführungen 25 und 26 vorgesehen, wobei vorliegend die Schlauchführungen 25 und 26 im unteren Gehäuseabschnitt 2 angeordnet sind, und eine Schlauchführung (nicht dargestellt) für den Schlauchkanal 22 im oberen Gehäuseabschnitt 1 angeordnet sein kann.
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Am Pumpenausgang 24 können die mehreren Schlauchkanäle dann zusammen ausgeführt werden, oder es sind entsprechende mehrere Schlauchführungen (nicht dargestellt) für die einzelnen Schlauchkanäle ausgebildet.
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3 zeigt ein Schlauchpaket 30, wie es in einem erfindungsgemäßen Pumpensystem zum Einsatz kommen könnte. Das Schlauchpaket 30 umfasst dabei einen ersten Schlauchkanal 31, einen zweiten Schlauchkanal 32 sowie einen dritten Schlauchkanal 33, welche vorliegend über Verbindungsstege 34 miteinander verbunden sind. Derartige Schlauchpaket 30 werden beispielsweise im Extrusionsverfahren hergestellt und können durchaus auch weitere Schlauchkanäle aufweisen oder in anderen Geometrie von Schlauchkanälen, z.B. in Dreieck-/ oder Quadratform angeordnet sein.
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Exemplarische Abmessungen können wie folgt angegeben werden, wobei die Abmessungen je nach Anwendungsfall und/oder Bauraum sowie zu transportierendem Fluid variiert werden können.
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Exemplarisch haben die Schlauchkanäle 31, 32 sowie 33 einen Durchmesser im Querschnitt von 0,7mm sowie eine Wandstärke von 0,6mm. die Stege 34 wiederum haben eine Breite als Abstand zwischen den Schläuchen von 0,2mm sowie eine Stärke von ebenfalls 0,2mm.
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Die 4a bis 4c zeigen verschiedene Varianten der Ausbildung eines hydraulisch erzeugten Freistrahls vor einer Zerstäuberdüse.
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4a zeigt eine schematische Darstellung, bei welcher die Zerstäuberdüse durch eine Düsenöffnung 40 in einem Düsenkörper 41 gebildet ist. Durch die Düsenöffnung 40 wird ein Fluid 42 aufgrund des hydraulischen Pumpendrucks des erfindungsgemäßen Pumpensystems symmetrisch um eine Mittelachse 43 der Düsenöffnung 40 als säulenförmiger Freistrahl 44 austreten. Der Freistrahl 44 tritt über eine Freistrahllänge 45 im Wesentlichen als Fluidsäule aus, wobei erst ab einem Abstand 46 die Zerstäubungswirkung 47 der elektrohydrodynamischen Zerstäuber einsetzt.
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In 4b ist am Düsenkörper 51 ein zylindrischer Düsenvorsatz 52 zur Ausbildung einer Zerstäuberdüse 50 vorgesehen. Am Ende des zylindrischen Düsenvorsatzes 52 ist eine um eine Mittelachse 53 symmetrisch ausgebildete Düsenöffnung 54 vorgesehen. Das hydraulisch geförderte Fluid 55 durchströmt den Düsenkörper 51, den zylindrischen Düsenvorsatz 52 und bildet über eine Freistrahllänge 56 einen Freistrahl 57 aus. Nach dem Abstand 58 setzt auch in dieser Ausführungsform die Zerstäubung 59 ein.
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Die Zerstäuberdüse umfasst daher einen hydraulischen Abschnitt 60, welcher sich aus der Länge 61 des zylindrischen Düsenvorsatzes 52 und der Länge des Freistrahls 56 zusammensetzt. Zur Erzeugung der elektrohydrodynamischen Zerstäubung ist am Eingang des zylindrischen Düsenvorsatzes 52 die Ankopplung einer Hochspannung 62 vorgesehen. Grundsätzlich ist jedoch denkbar, die Hochspannung auch an anderer Stelle einzuleiten, um die elektrohydrodynamische Zerstäubung zu erzielen.
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Bevorzugte Dimensionen einer Ausführungsform sind dabei als Durchmesser der Düsenöffnung 0,2 mm, als Fluidkanal im Inneren der Düse 5,7 mm bis ca. 14 mm, wobei dadurch ein Freistrahl mit einer Freistrahllänge von 10 mm bis 15 mm erzeugt wird.
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In einer weiteren Ausführungsform nach 4c ist am Düsenkörper 71 ein konischer Düsenvorsatz 72 zur Ausbildung einer Zerstäuberdüse 70 vorgesehen. Am Ende des konischen Düsenvorsatzes 72 ist eine um eine Mittelachse 73 symmetrisch ausgebildete Düsenöffnung 74 vorgesehen. Das hydraulisch geförderte Fluid 75 durchströmt den Düsenkörper 71, den zylindrischen Düsenvorsatz 72 und bildet über eine Freistrahllänge 76 einen Freistrahl 77 aus. Nach dem Abstand 78 setzt auch in dieser Ausführungsform die Zerstäubung 79 ein.
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Die Zerstäuberdüse nach 4c umfasst ebenso einen konischen hydraulischen Abschnitt 80, welcher sich aus der Länge 81 des konischen Düsenvorsatzes 72 und der Länge des Freistrahls 76 zusammensetzt. Zur Erzeugung der elektrohydrodynamischen Zerstäubung ist am Eingang des konischen Düsenvorsatzes 72 die Ankopplung einer Hochspannung 82 vorgesehen. Grundsätzlich ist jedoch denkbar, die Hochspannung auch an anderer Stelle einzuleiten, um die elektrohydrodynamische Zerstäubung zu erzielen.
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Die Erfindung ist vorliegend nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Erfindungsgemäß beansprucht ist auch die Nutzung nach dem Verfahren zum Betrieb eines elektrohydrodynamischen Zerstäubers, bei welchem durch die hydraulische Erzeugung eines Freistrahls die Zerstäubungswirkung verbessert wird, insbesondere die Zerstäubungswirkung erst nach einer Freistrahllänge 45, 56, 76 nach dem Austritt aus einer Düsenöffnung einsetzt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuseabschnitt
- 2
- Gehäuseabschnitt
- 3
- Motor
- 4
- Getriebeanordnung
- 4a
- Variante 1 der Ausbildung eines hydraulisch erzeugten Freistrahls vor einer Zerstäuberdüse.
- 4b
- Variante 2 der Ausbildung eines hydraulisch erzeugten Freistrahls vor einer Zerstäuberdüse.
- 4c
- Variante 3 der Ausbildung eines hydraulisch erzeugten Freistrahls vor einer Zerstäuberdüse.
- 5
- Wälzkörpergruppe
- 6
- Wälzkörper
- 7
- Pumpenrotor
- 10
- Peristaltikpumpe
- 21
- Wälzbereich
- 22
- Schlauchkanal
- 23
- Pumpeneingang
- 24
- Pumpenausgang
- 25
- Schlauchführung
- 26
- Schlauchführung
- 30
- Schlauchpaket
- 31
- Schlauchkanal
- 32
- Schlauchkanal
- 33
- Schlauchkanal
- 34
- Verbindungsstege
- 40
- Düsenöffnung
- 41
- Düsenkörper
- 42
- Fluid
- 43
- Mittelachse
- 44
- Freistrahl
- 45
- Freistrahllänge
- 46
- Abstand
- 47
- Zerstäubungswirkung
- 51
- Düsenkörper
- 52
- Düsenvorsatz
- 53
- Mittelachse
- 54
- Düsenöffnung
- 55
- Fluid
- 56
- Freistrahllänge
- 57
- Freistrahl
- 58
- Abstand
- 59
- Zerstäubung
- 60
- Abschnitt
- 61
- Düsenvorsatzlänge
- 62
- Hochspannung
- 70
- Zerstäuberdüse
- 71
- Düsenkörper
- 72
- Düsenvorsatz
- 73
- Mittelachse
- 74
- Düsenöffnung
- 75
- Fluid
- 76
- Freistrahllänge
- 77
- Freistrahl
- 78
- Abstand
- 79
- Zerstäubung
- 80
- hydraulischer Abschnitt
- 81
- Düsenvorsatzlänge
- 82
- Hochspannung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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