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Die Erfindung betrifft eine Düse zur Erzeugung
eines Flüssigkeit-Gas-Gemischs,
insbesondere eines Aerosols, mit einer Gasleitung, in der einer
Injektorkammer der Düse
ein Gas unter Druck zuführbar
ist, einer Flüssigkeitsleitung,
in der der Injektorkammer eine Flüssigkeit zuführbar ist,
und einem Ausgangskanal, durch den das Gas unter Mitnahme von Flüssigkeitströpfchen aus
der Injektorkammer ausströmt.
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Flüssigkeit-Gas-Gemische oder
-Nebel bzw. sogenannte Aerosole finden in vielen Bereichen der Technik
Anwendung, wobei beispielhaft auf Inhalatoren in der Medizintechnik,
Luftbefeuchter in der Haushaltstechnik oder das Aufbringen von Reinigungs-
oder Schutzmitteln verwiesen sein soll. Darüber hinaus ist es auch bekannt,
Aerosole zum Kühlen oder
Schmieren eines Werkzeugs oder eines Werkstückes bei einer spanenden Bearbeitung
zu verwenden, was im folgenden beispielhaft näher erläutert werden soll.
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Bei der sogenannten Minimalschmiertechnik wird
ein flüssiges
Kühlschmiermittel
in einer Düse
in einem Luftstrom ver nebelt. Zu diesem Zweck werden der Düse das flüssige Kühlschmiermittel
und die Luft in getrennten Leitungen zugeführt, wobei der mit relativ
hoher Geschwindigkeit strömende
Luftstrom sich mit dem Kühlschmiermittel
vermischt. Der Sprühnebel
des Kühlschmiermittel-Luft-Gemisches kann
direkt auf die zu behandelnden Flächen aufgebracht werden.
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Es ist auch bekannt, zur Kühlung und Schmierung
von drehenden Teilen ein Aerosol zu verwenden, das sehr feine, im
Luftstrom schwebende Öltröpfchen enthält. Zu diesem
Zweck wird mittels eines durch eine Düse strömenden Luftstroms Ö1 aus einem
Vorrat angesaugt und zusammen mit der Luft in einer Aerosolkammer
zerstäubt,
wobei die schweren Öltröpfchen,
die sich am Boden oder der Wand der Aerosolkammer absetzen, in den
Vorrat zurückfliesen.
Trotz der Abscheidung der schweren Öltröpfchen verbleiben jedoch im
Aerosol noch Tröpfchen
unterschiedlicher Größe und insbesondere
bei relativ geringen Strömungsgeschwindigkeiten und/oder
bei Druckschwankungen der Luft ergibt sich häufig keine homogene Zusammensetzung
des Aerosols hinsichtlich der Tröpfchengröße.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Düse der
eingangs genannten Art zu schaffen, mit der ein Flüssigkeit-Gas-Gemisch
bzw. ein Aerosol gewünschter
Zusammensetzung zuverlässig
erzeugbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer
Düse der
genannten Art dadurch gelöst,
dass die Gasleitung in der Injektorkammer in unmittelbarer Nähe des Einlassbereiches
des Ausgangskanals mündet
und eine sich zum Einlassbereich des Ausgangskanals verjüngende Außenkontur
besitzt.
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Üblicherweise
wird zum Kühlen
oder Schmieren eines Werkzeugs Luft als Gas und Öl als Flüssigkeit verwendet, jedoch können in
gleicher Weise auch andere Gase und/oder andere Flüssigkeiten
Verwendung finden.
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Bei der erfindungsgemäßen Düse strömt das Gas
nicht in freier, turbulenter Strömung
quer durch die Injektorkammer, sondern es wird in der Gasleitung
durch annähernd
die gesamte Injektorkammer hindurch bis zu dem Einlassbereich des
Ausgangskanals geführt
und dort in den Ausgangskanal eingeblasen. Dies führt dazu,
dass in der Düse
definierte Strömungsverhältnisse
gegeben sind. Das in den Ausgangskanal eintretende Gas reißt Flüssigkeitströpfchen mit,
die in der Injektorkammer anstehen bzw. durch die Gasströmung in
diese hineingezogen werden. Da sich die Flüssigkeitströpfchen mit dem Gas erst stromab
der Mündung
der Luftleitung, d.h. im Einlassbereich des Ausgangskanals oder
stromab von diesem mit dem Gas vermischen können, sind definierte Durchmischungsverhältnisse
für das
Gas und die Flüssigkeit
in der Düse
gegeben. Die sich zum Einlassbereich des Ausgangskanals verjüngende Außenkontur
der Gasleitung, die vorzugsweise kegelförmig ausgebildet ist, bewirkt
eine gerichtete Zuführung
der Flüssigkeitströpfchen zu
dem Einlassbereich des Ausgangskanals, so dass auch für die Flüssigkeitströpfchen auf
ihrem Strömungsweg
zwischen dem Eintritt in die Injektorkammer und dem Eintritt in
den Ausgangskanal definierte Strömungsverhältnisse
gegeben sind.
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Es hat sich gezeigt, dass mit der
erfindungsgemäßen Düse ein Aerosol
bzw. ein Gemischnebel erzeugt werden kann, der eine homogene Verteilung kleiner
Flüssigkeitströpfchen enthält, wobei
die Düse relativ
unempfindlich gegen Druckschwankungen des Gases ist und auch bei
geringen Strömungsgeschwindigkeiten
der Luft sich ein Aerosol bzw. ein Nebel guter Qualität erzeugen
lässt.
Darüber
hinaus besitzt die Düse
eine hohe Saugleistung für
die Flüssigkeit,
d.h. es wird relativ viel Flüssigkeit
pro definierter Gasmenge, beispielsweise pro m3 angesaugt.
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Die Mündung der Gasleitung kann entweder kurz
vor den Einlassbereich des Ausgangskanals liegen oder auch um ein
geringes Maß innerhalb
des Einlassbereichs des Ausgangskanals angeordnet sein. In bevorzugter
Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Mündung der
Gasleitung genau im Einlassquerschnitt des Ausgangskanales liegt.
Um definierte Strömungsverhältnisse
für die Flüssigkeitströpfchen zu
erhalten und um gleichzeitig turbulente Strömungen oder übermäßige Umlenkungen
der Flüssigkeitströpfchen zu
vermeiden, sollte die Mündung
der Gasleitung stromab der Einleitstelle der Flüssigkeit bzw. des Öls in die
Injektorkammer liegen.
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In bevorzugter Ausgestaltung der
Erfindung ist vorgesehen, dass die Flüssigkeit bzw. das Öl im wesentlichen
senkrecht zur Strömungsrichtung
des Gases bzw. der Luft in die Injektorkammer eingeleitet wird,
wobei die sich zum Einlassbereich des Ausgangskanals verjüngende Außenkontur
der Gasleitung die Flüssigkeitströpfchen in
gewünschter
Weise umlenkt und dem Einlassbereich des Ausgangskanals zuleitet.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen,
wenn die Flüssigkeit
nicht nur an einer Stelle der Injektorkammer zugeführt wird,
sondern an mehreren Stellen in diese eintritt. Dies lässt sich
in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreichen, dass
die Flüssigkeitsleitung
eine die Injektorkammer umgebende Ringkammer umfasst, wobei zwischen
der Ringkammer und der Injektorkammer zumindest zwei über den
Umfang verteilte Durchgangsöffnungen
ausgebildet sind. Wenn nur zwei Durchgangsöffnungen ausgebildet sind,
liegen diese vorzugsweise in entgegengesetzten Abschnitten der Injektorkammer.
Bei mehreren Durchgangsöffnungen
sollten die se gleichmäßig über den
Umfang der Ringkammer bzw. der Injektorkammer verteilt sein.
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Um eine gleichmäßige Gasströmung zu erhalten und um das
Gas mit definierten Strömungseigenschaften
in den Ausgangskanal einleiten zu können, ist bevorzugter Weise
vorgesehen, dass zumindest ein unmittelbar stromauf der Mündung der
Gasleitung angeordneter Gasleitungs-Endabschnitt einen konstanten
Querschnitt und insbesondere einen Kreisquerschnitt besitzt. Das
Einleiten des Gases in den Ausgangskanal ist verbessert, wenn der
Einlassbereich des Ausgangskanals in Gegenströmungsrichtung trichterförmig erweitert
ist. Zur Vergleichmäßigung der
Strömung
im Ausgangskanal kann vorgesehen sein, dass dieser über zumindest
annähernd seine
gesamte Länge
einen konstanten Querschnitt und insbesondere einen Kreisquerschnitt
besitzt.
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Um eine gute Vernebelung der Flüssigkeit
in dem Gas zu erreichen, sollte der Querschnitt des Ausgangskanals
wesentlich größer als
der Querschnitt des unmittelbar stromauf der Mündung der Gasleitung angeordneten
Gasleitungs-Endabschnitt sein. In einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann
vorgesehen sein, dass die Fläche
des Querschnitts des Gasleitungs-Endabschnittes zu der Fläche des
Querschnitts des Ausgangskanals in einem Verhältnis im Bereich von 1:2 bis
1:4 und insbesondere von 1:3 steht.
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Für
die Vergleichmäßigung der
Strömung des
Flüssigkeit-Gas-Gemisches innerhalb
des Ausgangskanals ist es des Weiteren sinnvoll, wenn die Länge des
Ausgangskanals das 10- bis 20-fache
und insbesondere das 12- bis 15-fache seines Durchmessers beträgt.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale
der Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die Zeichnung ersichtlich, wobei die einzige
Figur einen Schnitt durch eine Düse
zur Erzeugung eines Flüssigkeit-Gas-Gemischs
zeigt.
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Eine in der Figur dargestellte Düse 10 besitzt ein
Gehäuse 11,
das eine zentrische, abgestufte Bohrung 11a aufweist, in
die ein Düsenkörper 12 eingesetzt
ist. Der Düsenkörper 12 ist
in der Bohrung 11a über
einen Sprengring 13 gehalten und gegenüber der Innenwandung der Bohrung 11a über zwei axial
beabstandete umlaufende Dichtungsringe 14 und 15 abgedichtet.
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Im Inneren des Düsenkörpers 12 ist eine zentrische
Injektorkammer 19 ausgebildet, die von einer umlaufenden
Ringkammer 16 umgeben ist, die mit der Injektorkammer 19 über zwei
auf entgegengesetzten Seiten angeordnete Durchgangsöffnungen 17, 18 in
Verbindung steht. Die Ringkammer 16 ist darüber hinaus über eine
Bohrung 11c des Gehäuses 11 mit
der Außenseite
des Gehäuses 11 verbunden
und an einem Zuführschlauch 25 angeschlossen,
durch den eine Flüssigkeit
zugeführt
werden kann, wie es durch den Pfeil F angedeutet ist. Der Schlauch 25,
die Bohrung 11c und die Ringkammer 16 bilden zusammen
eine Flüssigkeitsleitung,
durch die die Flüssigkeit
in die Injektorkammer 19 eingeleitet werden kann.
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Der Düsenkörper 12 besitzt des
Weiteren einen axialen, zentrischen Ausgangskanal 20, der
an seinem inneren Ende über
einen trichterförmig
erweiterten Einlassbereich 20a in der Injektorkammer 19 und
an seinem entgegengesetzten Ende auf der Außenseite der Düse 10 mündet. Der
Ausgangskanal 20 besitzt – ausgenommen seinen Einlassbereich 20a – einen
konstanten kreisförmigen
Querschnitt.
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In die Injektorkammer 19 ist
ein Einsatzkörper 21 eingesetzt,
der koaxial zur Längsachse
des Ausgangskanals 20 angeordnet ist und eine abgestufte
axiale Innenbohrung 21a besitzt, die auf ihrer dem Ausgangskanal 20 abgewandten
Rückseite über eine
Bohrung 11b des Gehäuses 11 mit
der Außenseite
des Gehäuses 11 verbunden
und dort an einen Gasschlauch 24 angeschlossen ist, über den
ein Gas, beispielsweise Luft, zugeführt werden kann, wie es durch
den Pfeil L angedeutet ist. Die Innenbohrung 21a des Einsatzkörpers 21 besitzt
auf ihrer der Bohrung 11b des Gehäuses 11 zugewandten
Rückseite
die gleichen Abmessungen wie die Bohrung 11b, verjüngt sich
dann in Richtung des Ausgangskanals 20 und geht in einen
Gasleitungs-Endabschnitt 22 über, der einen relativ kleinen,
kreisförmigen Querschnitt
besitzt. Der Gasschlauch 24, die Bohrung 11b des
Gehäuses 11,
die Innenbohrung 21a des Einsatzkörpers 21 sowie der
Gasleitungs-Endabschnitt 22 bilden
zusammen eine Gasleitung. Dabei wird das über den Gasschlauch 24 zugeführte Gas
in dem Einsatzkörper 21 durch
dessen Innenbohrung annähernd
vollständig
durch die Injektorkammer 19 hindurchgeführt und tritt an einer Mündung 26 des
Gasleitungs-Endabschnitts 22 aus, die in unmittelbarer
Nähe des
Einlassbereichs 20a des Ausgangskanals 20 liegt
und im dargestellten Ausführungsbeispiel
exakt im Einlassquerschnitt des Ausgangskanals 20 angeordnet
ist.
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Die Querschnittsfläche des
Gasleitungs-Mündungsabschnitts 22 ist
wesentlich geringer als die Querschnittsfläche des Ausgangskanals 20, wobei
die Flächen
etwa im Verhältnis
1:3 stehen.
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Der Einsatzkörper 21 besitzt in
seinem in die Injektorkammer 19 hineinragenden Abschnitt
eine kegelförmige,
sich zum Einlassbereich 20a des Ausgangskanals 20 verjüngende Außenkontur 23.
Diese Ausgestaltung bewirkt, dass die Flüssig keit, die auf entgegengesetzten
Seiten durch die Durchgangsöffnungen 17, 18 aus
dem Ringkanal 16 in die Injektorkammer 19 im wesentlichen
senkrecht zur Strömungsrichtung
des Gases bzw. der Längsachse
der Düse 10 eintritt,
auf die zum Einlassbereich 20a des Ausgangskanals 20 geneigt
abfallende Außenoberfläche der
Außenkontur 23 auftrifft
und durch diese dem Einlassbereich 20a zugeleitet wird.
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Bei Betrieb der Düse 10 wird das Gas
unter Druck durch den Gasschlauch 24 und die Bohrung 11b des
Gehäuses 11 in
die Innenbohrung 21a des Einsatzkörpers 21 eingeleitet.
Da sich der Strömungsquerschnitt
bis zu dem Gasleitungs-Endabschnitt 21 verengt, erhöht sich
die Strömungsgeschwindigkeit
des Gases, das nach Durchströmen des
Gasleitungs-Endabschnitts 22 an
dessen Mündung 26 austritt
und direkt in den Ausgangskanal 20 eingeblasen wird. Durch
das Einblasen des Gases in den Ausgangskanal 20 entsteht
in der Injektorkammer 19 ein Unterdruck. Dieser bewirkt,
dass die Flüssigkeit
durch den Flüssigkeitsschlauch 25,
die Bohrung 11c des Gehäuses 11 und
die Ringkammer 16 durch die beiden entgegengesetzten Durchgangsöffnungen 17, 18 in
die Injektorkammer 19 eingesaugt wird. Zwischen dem Einsatzkörper 21 im
Bereich der Mündung 26 des
Gasleitungs-Endabschnitts 22 und dem unmittelbar benachbarten
Einlassbereich 20a des weiterführenden Ausgangskanals 20 ist
ein Ringspalt 27 gebildet, durch den die Flüssigkeit
in den Gasstrom eingesaugt wird. Die Flüssigkeit wird in dem Gasstrom
vernebelt, so dass an dem außenseitigen
Ende des Ausgangskanals 20 ein Flüssigkeit-Gas-Gemisch bzw. ein
Aerosol austritt, wie es durch den Pfeil N angedeutet ist.