-
Die Erfindung richtet sich auf eine
Düse, umfassend
ein Düsengehäuse, einen
rückwärtigen Zuleitungskanal
für eine
Flüssigkeit,
eine vorderseitige Öffnung
zur Abgabe eines Strahls der in Tröpfchen zerstäubten Flüssigkeit,
sowie eine in dem Düsengehäuse aufgenommene
Einrichtung zur Verwirbelung des austretenden Strahls mit einem
etwa spiralförmig verlaufenden
Strömungskanalabschnitt.
-
Derartige Düsen finden Verwendung bei der Anreicherung
eines Gases, bspw. Luft, mit kleinsten Flüssigkeitströpfchen, bspw. in Form eines
Wassernebels, u.a. zur Luftbefeuchtung im Rahmen einer Klimaanlage.
Optimale Vermischungseigenschaften lassen sich erzielen, wenn dem
austretenden Flüssigkeitsstrahl
ein Drall um die Strahlrichtung erteilt wird, so dass dieser nach
Verlassen der Düse
aufgrund von Fliehkräften
radial auseinandergerissen wird und dabei in allerfeinste Tröpfchen zerteilt
wird.
-
Eine gattungsgemäße Anordnung ist in der deutschen
Offenlegungsschrift
DE
41 15 775 A1 offenbart. Dort ist innerhalb einer stromaufwärts der Düsenöffnung angeordneten
Verwirbelungskammer ein scheiben- oder topfförmiger Drallkörper angeordnet,
der an seiner stromaufwärtigen
Stirnseite und/oder an seiner Mantelseite mit etwa tangential mündenden
Rillen oder Schlitzen versehen ist, so dass der durch die Verwirbelungskammer
strömenden
Flüssigkeit
eine tangentiale Bewegungskomponente aufgezwungen wird. Allerdings
ist der Drallkörper
innerhalb der Verwirbelungskammer in axialer Richtung nicht fixiert;
ausschließlich
die Ausführungsform
mit mantelseitigen Schlitzen ist in radialer Richtung an der Mantelinnenseite
der Verwirbelungskammer festgeklemmt, kann sich jedoch in radialer Richtung
bewegen. Dadurch sind die Strömungskanäle und damit
die Düseneigenschaften
nicht präzise vorgegeben.
Da der Drallkörper
vor allem in axialer Richtung angeströmt wird und dabei einen hohen Strömungswiderstand
bildet, können
auf diesen erhebliche Axialkräfte
einwirken. Wenn der Drallkörper infolgedessen
einem axialen Druck nachgebend zurückweicht, erhöht sich
an der Anströmseite
der Widerstand und der axiale Druck sinkt. Demzufolge kann der Drallkörper in
axiale Schwingungen geraten, wodurch einerseits Geräusche verursacht
und andererseits Schwingungen in der Strahlintensität bzw. Tröpfchengeschwindigkeit
hervorgerufen werden können.
Letztere führen
im Verlauf eines längeren
Strahlweges zum Zusammenprall der Flüssigkeitströpfchen und damit zur Bildung
von größeren Tropfen,
wodurch der angestrebte Vernebelungseffekt erheblich gemindert wird.
-
Aus den Nachteilen des beschriebenen Stands
der Technik resultiert das die Erfindung initiierende Problem, eine
gattungsgemäße Zerstäubungsdüse mit Verwibelungseffekt
derart weiterzubilden, dass eine möglichst optimale Vernebelung
erreicht werden kann, wobei die Tröpfchengröße der abgegebenen Flüssigkeit
möglichst
klein sein und bleiben soll.
-
Die Lösung dieses Problems gelingt
dadurch, dass die Verwirbelungseinrichtung einen Drallkörper umfaßt, der
in einer sich zu der Öffnung in
der Düsenvorderseite
hin verjüngenden
Kammer angeordnet und dort in axialer Richtung festgeklemmt ist,
wobei sich im Bereich der vorderen und rückwärtigen Berührungsfläche mit der Kammerwand je ein
Strömungskanalabschnitt
befindet, der nach Art einer Spirale, Kegelspirale, Wendel od. dgl. um
die Strahlrichtung gewunden ist.
-
Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Stand
der Technik ist dem Drallkörper
bei der Erfindung jeglicher axiale Bewegungsspielraum genommen;
er unterliegt demzufolge keinerlei axialen Schwingungen. Infolgedessen
treten stromabwärts des
Drallkörpers
keine Druckschwankungen auf, und nach dem Verlassen der Düse haben
die Flüssigkeitströpfchen allesamt
eine gleichmäßige Geschwindigkeitskomponente
in der Strahlrichtung. Die Häufigkeit
von Kollisionen zwischen verschiedenen Flüssigkeitströpfchen ist daher gegenüber dem Stand
der Technik stark reduziert. Die Tröpfchen behalten ihre anfängliche
Minimalgröße, und
der Vernebelungseffekt ist weitaus effektiver als bei herkömmlichen
Düsen.
Damit der solchermaßen
mit seiner stromauf- und stromabwärtigen (Stirn-)Seite an der Verwirbelungskammer
anliegende Drallkörper
keinen unüberwindlichen
Strömungswiderstand
erzeugt, sind im Bereich beider Berührungsflächen oder -kanten mit der Kammerwand
jeweils Strömungskanäle für die abzugebende
Flüssigkeit
vorgesehen.
-
Weitere Vorteile ergeben sich dadurch,
dass die Windungsrichtung des vorderen und rückwärtigen Strömungskanalabschnitts in Strömungsrichtung des
abzugebenden Mediums identisch ist. Dadurch kann das abzugebende
Medium den im Bereich der rückwärtigen Strömungskanäle aufgenommenen Drall
bis zum Verlassen der Verwirbelungskammer durch die vorderseitige
Düsenöffnung beibehalten, so
dass eine maximale Verwirbelung hervorgerufen wird.
-
Es hat sich als günstig erwiesen, dass der radiale
Verlauf des vorderen und rückwärtigen Strömungskanalabschnitts
in Strömungsrichtung
des abzugebenden Mediums entgegengesetzt ist, wobei der rückwärtige Strömungskanalabschnitt
in Strömungsrichtung
radial divergiert, während
der vordere Strömungskanalabschnitt
in Strömungsrichtung
radial konvergiert. Durch den rückwärtigen Strömungskanalabschnitt
wird der zunächst
koaxial eintreffende Flüssigkeitsstrom
zu der Peripherie des Mantels des Drallkörpers geführt und erhält dort den gewünschten Drall,
indem der Flüssigkeitsstrahl
insgesamt spiralig geführt
wird. Innerhalb eines anschließenden
Teils der Verwirbelungskammer kann sodann ein Flüssigkeitsvolumen permanent
um die Strömungs-
bzw. Strahlachse rotieren und bildet demnach ein drallbehaftetes
Flüssigkeitsreservoir.
Aus diesem wird ein Teil abgezweigt und durch die vorderen Strömungswege
wieder zur Strömungs-
bzw. Strahlachse und damit zu der Düsenöffnung hin geleitet. Dabei
bleibt der Drall zum größten Teil
erhalten, der sich im Bereich der Düsenöffnung in Form einer Rotation
des austretenden Flüssigkeitsstrahls
um dessen Längsachse äußert. Infolge
dieser Rotation „zerplatzt" der Flüssigkeitsstrahl
nach Verlassen der Düse
schließlich,
wobei die dadurch entstandenen Tröpfchen in radialer Richtung
auseinanderfliegen, während
sie in der Strahlrichtung allesamt mit nahezu völlig identischer Geschwindigkeit
davonfliegen und daher nicht mehr kollidieren können.
-
Um den Drall bei der Überleitung
von der Verwirbelungskammer zu der Düsenöffnung möglichst vollständig zu
erhalten, sieht die Erfindung vor, dass der vordere Strömungskanalabschnitt
wenigstens einen Teil aufweist, der sich um die Strahlrichtung spiralig
gewunden an den vorderen Bereich der Oberfläche des Drallkörpers schmiegt.
Dieser Strömungskanalabschnitt
kann sowohl in der Wand der Verwirbelungskammer als auch in der
Oberfläche des
Drallkörpers
eingearbeitet sein; der letzteren Möglichkeit wird dabei von der
Erfindung der Vorzug gegeben, da die Grundgestalt des erfindungsgemäßen Drallkörpers überwiegend
oder vollständig
konvex oder eben ist und daher leichter bearbeitet werden kann als
die konkave Innenseite der Verwirbelungskammer.
-
Es liegt im Rahmen der Erfindung,
dass ein vorderer Bereich des Drallkörpers kegelförmig ausgebildet
ist, wobei der vordere Strömungskanalabschnitt
etwa dem Verlauf einer Kegelspirale folgt. Bei dieser geometrischen
Figur, welche seit den mathematischen Untersuchungen des Pappos
von Alexandria aus dem 4. Jh. n. Chr. bekannt ist, handelt es sich
um eine Kurve, die sich von einem Punkt ausgehend gleichzeitig spiral-
und wendelförmig
um einen geraden Strahl windet. Die Projektionen dieser Figur auf
die Stirn- und Mantelfläche
eines zu dem betreffenden Strahl konzentrischen Zylinders sind eine
Spirale einerseits und eine Wendel andererseits. Bei der vorliegenden
Anwendung bietet eine Kegelspirale folgende Vorteile: Die zu der
Düsenöffnung strömende Flüssigkeit
wird dank des gewendelten Anteils einer Kegelspirale in axialer
Richtung beschleunigt; gleichzeitig wird die Flüssigkeit an dem radial verjüngten Bereich
der Kegelspirale gesammelt, während
sie ihre Rotationsbewegung dank des Spiralanteils der Kurve beibehält.
-
Dieser Erfindungsgedanke läßt sich
dahingehend weiterbilden, dass der radiale Verlauf r einer vorderen
Kegelspirale etwa gegeben ist durch
r = av · φ mit |av| > (1
mm/2Π).
-
Dies bedeutet, die Projektion einer
Kegelspirale auf die Stirnfläche
eines zu der Strahlrichtung konzentrischen Zylinders ist etwa eine
archimedische Spirale, deren radialer Windungsabstand größer ist
als 1 mm; in der Praxis sollte dieser Abstand sogar größer sein
als 2 mm, bspw. 4 mm. Allerdings kann dieser Wert abhängig von
den sonstigen Abmessungen der Düse
variieren.
-
Es wird empfohlen, dass der Öffnungswinkel des
Kegels zwischen 60° und
120° liegt.
Dieser Winkel muß an
den Verlauf der Wand der Verwirbelungskammer angepaßt sein.
Ein optimaler Wert liegt etwa bei 90°. Dadurch ergibt sich bei einem
vergleichsweise kurzen Strömungskanal
bereits eine erhebliche Strömungskomponente
in Strahlrichtung. Andererseits kann der Öffnungswinkel des Drallkörpers kleiner
sein als der vordere Konvergenzwinkel der Verwirbelungskammer, so
dass sich der dazwischen liegende Strömungsquerschnitt des ringförmigen Zwischenraums
zunehmend verengt und daher die axiale Strömungsgeschwindigkeit allmählich zunehmen kann.
-
Bevorzugt sind die vorderen Strömungskanäle in einem
kegelstumpfförmigen
Drallkörper,
insbesondere im Bereich der Umfangskante einer vorderen Stirnseite
desselben, angeordnet. Eine derartige Konstruktion ist erforderlich,
wenn ansonsten zwischen dem Drallkörper und der Wand der Verwirbelungskammer
ein Zwischenraum existiert. Dieser kann einerseits hervorgerufen
sein durch einen engeren Öffnungswinkel
des Drallkörpers
im Verhältnis zu
dem entsprechenden Öffnungswinkel
der Verwirbelungskammer, andererseits aber auch durch eine bspw.
stufig zurücktretende
Oberflächengestalt
des Drallkörpers
und/oder der Wand der Verwirbelungskammer. Am einfachsten herstellbar
ist ein stufiges Zurückweichen
des Drallkörpers
im Anschluß an
dessen mit Strömungskanälen versehener
Vorderseite. Solchenfalls können
die voneinander beabstandeten Kegelflächen auch in einem etwa konstanten
Abstand zueinander verlaufen. Da der Querschnitt eines solchen ringförmigen Zwischenraums
zu den vorderen Strömungskanälen hin
abnimmt, kann auch auf diesem Weg eine allmähliche Beschleunigung der Flüssigkeit
in axialer Richtung erreicht werden.
-
Sofern der vordere Strömungskanalabschnitt mehrere
Gänge umfaßt, so teilt
sich dieser Abschnitt in mehrere, zueinander parallele Strömungspfade auf,
die vorzugsweise in gleichen Abständen über den Umfang des Drallkörpers verteilt
angeordnet sind. Dadurch ergeben sich insbesondere mehrere Einström-Mündungen, so dass der gesamte
Einströmquerschnitt
gleichmäßiger über den
Umfang des Drallkörpers
verteilt ist und eine möglichst
laminare Strömung
erlaubt, was für
eine möglichst
konstante Strahlgeschwindigkeit förderlich ist.
-
Die Erfindung erfährt eine vorteilhafte Weiterbildung
dadurch, dass der rückwärtige Strömungskanalabschnitt
wenigstens einen Teil aufweist, der sich um die Strahlrichtung spiralig
gewunden an den rückwärtigen Bereich
der Oberfläche
des Drallkörpers
schmiegt. Diesem rückwärtigen Strömungskanalabschnitt
fällt die
eigentliche Aufgabe zu, der abzugebenden Flüssigkeit den erforderlichen
Drall zu erteilen. Aus diesem Grund sollte der betreffende Strömungspfad
möglichst
allseits geschlossen sein, damit ein drallfreies Umströmen völlig ausgeschlossen
ist. Es wird daher bevorzugt, wenn die stromaufwärtige Stirnseite des Drallkörpers großflächig und bündig an
einem entsprechend geformten Körper
anliegt, wobei sodann der Strömungspfad
rillenförmig
in einer der beiden aneinanderliegenden Körperoberflächen eingearbeitet sein kann.
-
Bei der einfachsten Ausführungsform
können
diese beiden Flächen
jeweils (bereichsweise) eben sein, so dass der rückwärtige Strömungspfad in einer Ebene liegt.
Dabei hat es sich bewährt,
wenn der rückwärtige Strömungskanalabschnitt
etwa dem Verlauf einer archimedischen Spirale folgt.
-
Der radiale Verlauf r der rückwärtigen Spirale sollte
gegeben sein durch r = ar · φ mit |ar| < (2
mm/2Π).
-
Eine archimedische Spirale hat einen
konstanten, radialen Windungsabstand. Dieser ist vorzugsweise kleiner
als 2 mm; in der Praxis sollte dieser Abstand sogar kleiner sein
als 1 mm, bspw. 0,5 mm. Allerdings kann dieser Wert abhängig von
den sonstigen Abmessungen der Düse
variieren. Eine derart sanfte radiale Divergenz erleichtert eine
nahezu tangentiale Einmündung
des rückwärtigen Strömungspfads
in die Verwirbelungskammer, damit die dort umlaufende Strömung nicht
durch eine übermäßige Radialkomponente
der zuströmenden
Flüssigkeit
gestört
wird und keine unerwünschten
Druckschwankungen hervorgerufen werden.
-
Eine praktische Realisierungsmöglichkeit
für den
rückwärtigen Strömungspfad
besteht darin, diese rillenförmig
in die vordere Stirnseite eines vorzugsweise etwa zylindrischen
Körpers
einzuarbeiten, der stromaufwärts
des Drallkörpers
angeordnet ist und an dessen ebener, rückwärtiger Stirnfläche anliegt.
So kann der Strömungspfad
spanabhebend hergestellt werden.
-
Indem die rückwärtigen und/oder vorderen Strömungskanäle jeweils
einen etwa konstanten Querschnitt aufweisen, ergeben sich über einen
langen Strömungspfad
hinweg jeweils konstante Strömungsgeschwindigkeiten.
Gleichzeitig bietet die gleichmäßige Kanalgeometrie
keinerlei Anlaß zur Ausbildung
turbulenter Strömungen,
während
evtl. bereits vorhandene, turbulente Strömungsanteile mit zur Strahlrichtung
parallelen Strömungsfäden durch eine
erhöhte
innere Reibung zwischen den gegenläufigen Strömungen abgebaut werden, so
dass eine rein laminare Strömung
durch diese Kanäle
begünstigt
wird.
-
Durch den Querschnitt der Strömungspfade können die
Düseneigenschaften
positiv beeinflußt werden:
Wenn der Querschnitt eines Gangs des vorderen Strömungskanalabschnitts
kleiner ist als der Querschnitt des rückwärtigen Strömungskanalabschnitts, so wird
damit der Gesamtquerschnitt des vorderen Strömungspfads etwa auf das Maß des rückwärtigen Strömungskanalabschnitts
reduziert, mithin die Strömungsgeschwindigkeit
im Bereich der Düsenöffnung erhöht. Dadurch
kann bspw. die Strahlreichweite vergrößert werden.
-
Die erfindungsgemäße Düse läßt sich dadurch optimieren,
dass die radiale Teilung P (radialer Abstand zweier benachbarter
Windungen desselben Gangs) bei dem vorderen Strömungskanalabschnitt größer ist
als bei dem rückwärtigen Strömungskanalabschnitt: Pv = 2Π · |av| > Pr = 2Π · |ar|. Während bei dem rückwärtigen Strömungspfad
vor allem die Erzeugung einer möglichst
laminar umlaufenden Strömung
in der Verwirbelungskammer im Vordergrund steht, so ist es die Aufgabe
des vorderen Strömungspfads,
bei der Sammlung der abzugebenden Flüssigkeit im Bereich der Strahlachse
und bei der teilweisen Umlenkung ihrer Strömungsrichtung in die Strahlrichtung
einen möglichst
großen Druck
und Drall zu erhalten. Dies wird erreicht, indem der Strömungspfad
möglichst
kurz ist, d.h., die Flüssigkeit
auf kurzem Weg an die Strahlachse herangeführt wird.
-
Im Rahmen einer besonders günstigen
Ausführungsform
ist stromaufwärts
des Drallkörpers
ein entgegen der Strömungsrichtung
vorgespanntes Überdruckventil
angeordnet, welches erst bei Überschreiten
eines Grenzdrucks öffnet.
Ein derartiges Überdruckventil
verschließt
die Düse
vollständig,
sofern der Druck in der Zuleitung unter einen Schwellwert abgesunken
ist. Dadurch wird ein Nachtropfen und somit eine unkontrollierte
Flüssigkeitsabgabe vermieden.
Dabei kann mit Vorteil eine Schalthysterese realisiert werden, indem
ein beweglicher Ventilkörper
bei geschlossenem Ventil eine kleinere Druckangriffsfläche bietet
als in geöffnetem
Zustand. Damit ist unter gleichem Flüssigkeitsdruck die Ventilöffnungskraft
bei offenem Ventil größer als
bei geschlossenem Ventil, während
die durch eine Feder erzeugte Gegenkraft unverändert bleibt. Zum Offenhalten
genügt
daher ein niedrigerer Druck als zum Öffnen des Ventils.
-
Eine stromaufwärts des Drallkörpers angeordnete
Dichtung dient zum dichten Verschluß der Verwirbelungskammer gegenüber der
Innenseite des Düsengehäuses, so
dass bei geschlossenem Überdruckventil
keine Leckage auftreten kann und außerdem überhaupt kein Strömungspfad
an dem Drallkörper
vorbeiführt.
-
Schließlich entspricht es der Lehre
der Erfindung, dass stromaufwärts
des Drallkörpers
sowie ggf. eines an dessen Rückseite
anliegenden, mit wenigstens einer Strömungskanalrille versehenen
Körpers
und ggf. eines vorgespannten Überdruckventilkörpers ein
etwa ringförmiges,
axial wirkendes Spannelement vorgesehen ist, das sich bspw. über ein selbsthemmendes
Außengewinde
an einem Gewindebereich des Düsengehäuses abstützt. Diesem
Element obliegt die feste Verspannung des Drallkörpers in axialer Richtung.
Alle anderen Teile innerhalb des Düsengehäuses werden von diesem Element
gegen den Rand der Düsenöffnung gepreßt und dadurch festgelegt.
Falls der die eigentliche Düsenöffnung aufweisende,
vordere Teil des Düsengehäuses aus einem
anderen, bspw. gehärteten
Werkstoff besteht und in das Düsengehäuse eingesetzt
ist, so muß er aus
diesem Grund mit einem sich zur Außenseite hin kontinuierlich
und/oder stufig verjüngenden
Außenumfang
versehen sein, um sich an einem dazu komplementären Bereich des Düsengehäuses abstützen zu
können.
-
Weitere Merkmale, Einzelheiten, Vorteile und
Wirkungen auf der Basis der Erfindung ergeben sich anhand der folgenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Hierbei zeigt:
-
1 eine
erste Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Düse in einem
Längsschnitt;
-
2 eine
modifizierte Ausführungsform
der Erfindung in einer der 1 entsprechenden
Darstellung;
-
3 die
Ausführungsform
nach 2 in einer Sprengdarstellung;
-
4 eine
Ansicht auf die stromabwärtige Stirnseite
des Drallkörpers
aus 3; sowie
-
5 eine
Ansicht auf die stromabwärtige Stirnseite
eines die Verwirbelungskammer stromaufwärts des Drallkörpers verschließenden Einsatzes.
-
Die erfindungsgemäße Zerstäubungsdüse 1 umfaßt einen
Düsenkörper 2 in
Form eines Gehäuses,
welches eine Längsachse
etwa nach Art eines Hohlzylinders umgibt. Der Düsenkörper kann aus Messing gefertigt
sein. Wie 3 zeigt, kann
der Außenmantel 3 des
Düsenkörpers 2 den
Querschnitt eines Sechskants aufweisen, so dass der Düsenkörper 2 bspw.
mittels eines Schraubenschlüssels
auf ein im Bereich seiner Mündung
mit einem Außengewinde versehenes
Zuführungsrohr
für das
zu zerstäubende Medium,
bspw. Wasser, aufgeschraubt werden kann. Dazu dient ein Innengewinde 4 innerhalb
des rückwärtigen Teils
des von dem Düsenkörper 2 umschlossenen
Hohlraums 5. Eine stufige Querschnittsverjüngung 6 des
Hohlraums 5 bildet den Übergang
zu dem vorderen Teil 7 des Hohlraums 5, durch
welchen das abzugebende Medium bis zu der Düsenöffnung 8 strömen 9 kann.
-
Die Düsenöffnung 8 befindet
sich innerhalb eines in den Hohlraum 7 eingesetzten Plättchens 10 vorzugsweise
aus einem gehärteten
Metall, bspw. nichtrostendem Edelstahl, der partiell, d.h. in der
Umgebung der Düsenöffnung 8 verdichtet
sein kann. Damit das Metallplättchen 10,
welches mit der vorderen Stirnseite 11 des Düsenkörpers 2 etwa
bündig
abschließt,
nicht durch den inneren Druck des abzugebenden Mediums nach vorne
aus dem Hohlraum 7 herausgedrückt werden kann, verjüngt sich
der Hohlraum 7 im Bereich des Plättchens 10 in Strömungsrichtung 9 des
abzugebenden Mediums. Diese Verjüngung
könnte
stufig ausgebildet sein, bspw. in Form eines den Hohlraum 7 umlaufenden,
nach innen vorspringenden Bundes. Bevorzugt weist der Hohlraum 7 (stattdessen)
jedoch an seinem vorderen Ende 11 einen leicht konischen
Innenmantel 12 auf, welchem der axiale Verlauf des Außenumfangs
13 des
Plättchens 10 angepaßt ist,
so dass das Metallplättchen 10 durch
einen von hinten wirkenden Druck innerhalb der sich verjüngenden
Ausnehmung 7 regelrecht festgeklemmt wird und damit optimal
dicht abschließt.
-
Die Düsenöffnung 8 befindet
sich etwa im Zentrum des Plättchens 10 und
hat einen Durchmesser von bspw. 0,05 bis 0,2 mm oder gar noch kleiner. Stomaufwärts eines
vordersten, kurzen und etwa zylindrischen Strömungspfades 14 schließt sich
eine kegelförmige
Erweiterung 15 an, die einen Öffnungswinkel von etwa 120° haben kann
und sich bis (nahe) an den Umfangsrand 13 des Plättchens 10 erstreckt. Aus
Gründen
der mechanischen Stabilität
kann zwischen dem Umfangsrand 13 und der kegelförmigen Erweiterung
15 ein Bund 16 angesetzt sein, der sich um ein geringes
Maß entgegen
der Strömungsrichtung 9 erstreckt.
-
Die kegelförmige Erweiterung 15 bildet
den vorderen Abschluß einer
Verwirbelungskammer 17, welche das abzugebende Medium vor
dem Verlassen der Zerstäubungsdüse 1 passieren
muß. Innerhalb
dieser Verwirbelungskammer 17 ist ein Drallkörper 18 angeordnet,
dem die Aufgabe zugewiesen ist, das abzugebende Medium zu einer
Rotationsbewegung um die Strömungs-
bzw. Strahlrichtung 9 zu veranlassen. Dieser Drallkörper 18 wird
durch die kegelförmige
Vorderseite 15 der Verwirbelungskammer 17 koaxial
zu der Düsenlängsachse
zentriert und erfährt
in dieser Position eine Fixierung durch axiales Anpressen einer
stromaufwärts
des Drallkörpers 18 befindlichen
Hülse 19 gegen
die ebene Rückseite 20 des
Drallkörpers 18.
-
Wie 2 erkennen
läßt, dient
diese Hülse 19 vornehmlich
der Aufnahme eines (optionalen) Überdruckventils 21,
das weiter unten beschrieben wird. Der zur Aufnahme dieses Überdruckventils 21 vorgesehene
Hohlraum 22 wird abgeschlossen bzw. verengt durch ein stromaufwärts der
Hülse angeordnetes,
ringförmiges
Plättchen 23.
Gegen dessen stromaufwärtige
Seite 24 drückt
schließlich
ein Spannelement 25. Dieses weist ein Außengewinde 26 auf, mit
dem es sich an einem Innengewinde 27 innerhalb des verjüngten Bereichs 7 des
Hohlraums 5 an dem Düsenkörper 2 abstützt.
-
Um das Gewindespannelement 25 gegen das
ringförmige
Plättchen 25 und
damit indirekt gegen die Hülse 19 und
den Drallkörper 18 anzustellen und
gemeinsam mit diesen Elementen gegen das vordere, wiederum in dem
Düsenkörper 2 verankerte Plättchen 10 zu
pressen, ist in dem Gewindespannelement 25 ein Innensechskant 28 vorgesehen,
mit welchem ein Imbusschlüssel
zur Schraubverstellung in Eingriff gebracht werden kann.
-
Durch diese von dem Innensechskant 28 gebildete
Durchgangsausnehmung des Gewindespannelements 25, durch
die Ausnehmung in dem ringförmigen
Plättchen
und durch den (durchgehenden) Hohlraum 22 der Hülse 19 gelangt
das zu zerstäubende
Medium bis zu der ebenen Rückseite 20 des Drallkörpers 18,
welche den Hohlraum 22 der Hülse 19 weitgehend
verschließt.
Aufgrund einer stufigen Verjüngung 29 des
Hülsenhohlraums 22 verengt
sich der Strömungskanal 30 am
vorderen Hülsenende
im Bereich der Düsenlängs- bzw.
-mittelachse. Von hier kann das zu zerstäubende Medium ausschließlich durch
einen spiralförmigen
Strömungspfad 31 in
die Verwirbelungskammer 17 gelangen. Wie 5 zeigt, ist dieser Strömungspfad 31 durch
eine Rille in der Vorderseite 32 der Hülse 19 gebildet, welche
an der Mündungskante 33 des
verengten Strömungskanals 30 beginnt
und die Düsenlängsachse
in mehreren Windungen umlaufend allmählich bis zu der Außenkante 34 der
Hülse 19 divergiert.
-
Indem die ebene Rückseite 20 des Drallkörpers 18 an
den Oberseiten der zwischen den Rillenumläufen 31 verbleibenden,
stegförmigen
Erhebung 35 an der Hülsenvorderseite 32 dicht
anliegt, wird die Rille 31 an ihrer Oberseite verschlossen. Während das
zu zerstäubende
Medium somit gezwungen wird, entlang der Rille 31 mehrmals
die Düsenlängsachse
zu umströmen,
um dabei allmählich zu
der Hülsenperipherie 34 zu
gelangen, nimmt es unweigerlich einen Drehimpuls auf. Dieser bleibt
erhalten, wenn das zu zerstäubende
Medium an der Umfangskante 36 des Drallkörpers 18 diese
Rille 31 verlassen und in die Verwirbelungskammer 17 austreten
kann. Innerhalb des ringförmigen Hohlraums der
Verwirbelungskammer 17 rotiert das Medium daher ständig um
die Düsenlängsachse
bzw. Stömungsrichtung 9.
-
Wie 3 zeigt,
besteht die Grundform des Drallkörpers 18 aus
mehreren aneinandergesetzten, geometrischen Körpern, nämlich – in Strömungsrichtung 9 gesehen – aus einem
hinteren Kegelstumpf 37, der sich in Strömungsrichtung 9 verjüngt, aus
einem an dessen verjüngter
Stirnseite 38 angesetzten, kurzen zylindrischen Abschnitt 39,
und aus einem zweiten, kleineren Kegelstumpf 40, der sich
an die vordere Stirnseite 41 des mittleren Abschnitts 39 anschließt und sich
wiederum in Strömungsrichtung 9 verjüngt.
-
Da der Durchmesser des zylindrischen
Mittelabschnitts 39 etwas größer ist als der Durchmesser
der Düsenöffnung 8 bzw.
des daran anschließenden,
axialen Strömungspfads 14,
liegt die Kegelfläche
des kleineren Kegelstumpfs 40 an der konischen Erweiterung 15 des
Strömungspfads 14 an
und wird dadurch zentriert. Da die ebene Rückseite 20 des Drallkörpers während dessen
Fixierung parallel zu der ebenen Vorderseite 32 der Hülse 19 ausgerichtet wird,
fluchten die Rotationsachsen der aneinanderliegenden Kegelflächen. Da
der Öffnungswinkel
des vorderen, kleineren Kegelabschnitts 40 etwa dem Öffnungswinkel
der konischen Erweiterung 15 entsprechen kann, ergibt sich
an dieser Stelle ein Verschluß der
Verwirbelungskammer 17. Diese wird somit begrenzt durch
einen Teil der konischen Erweiterung 15 des Plättchens 10,
den mittleren, zylindrischen Abschnitt 39 und die Kegelfläche des
hinteren Abschnitts 37 des Drallkörpers 18, einen schmalen Ringbereich
der Hülsenvorderseite 32 entlang
von deren Peripherie 34 und einen schmalen Abschnitt der
Hohlrauminnenseite 7.
-
Damit das zu zerstäubende Medium
die Verwirbelungskammer 17 in Richtung der Düsenöffnung 8 wieder
verlassen kann, sind in dem an der konischen Erweiterung 15 anliegenden
Bereich der Kegelfläche
des vorderen (kleineren) Drallkörperabschnitts 40 rillenförmige Strömungskanäle 42 eingearbeitet,
die im zusammengebauten Zustand durch die konische Erweiterung 15 abgedeckt
werden. Wie 4 zeigt,
können
gleichmäßig über den
Umfang des vorderen Kegelabschnitts verteilt mehrere solche Strömungskanäle 42 vorgesehen
sein. Die Strömungskanäle 42 verlaufen
jeweils entlang einer Kegelspirale, deren Windungsrichtung (Drehrichtung,
in der die Spirale divergiert) bei Betrachtung in derselben Axialrichtung,
bspw. entgegen der Strömungsrichtung 9 gemäß 4, entgegen der Windungsrichtung
des Strömungspfads 32 stromaufwärts des Drallkörpers 18 verläuft, wie
ein Vergleich der 4 und 5 erkennen läßt. So kann
der Drallkörper 18 unter
Beibehaltung der Rotationsrichtung umströmt werden, während dieser
gleichzeitig fest eingeklemmt ist.
-
Ein zusätzlicher Vorteil der Anordnung
ist, dass der Durchmesser des Hohlraums 7 kaum größer sein
muß als
der Durchmesser des Drallkörpers 18,
so dass sich ein schlanker Aufbau der Zerstäubungsdüse 1 ergibt.
-
Indem ferner die stromaufwärts des
Drallkörpers
angeordnete Strömungsspirale 32 die
Düsenlängsachse
mehrfach umwindet, ergibt sich im Bereich der rückwärtigen Umfangskante 36 des
Drallkörpers 18 über einen
großen
Zentrumswinkel von bspw. nahezu 180° hinweg ein kontinuierlicher
Zustrom in die Verwirbelungskammer 17, so dass dort keinerlei
turbulente Strömungen
ausgelöst
werden.
-
Das in dem Hülsenhohlraum 22 angeordnete Überdruckventil 21 besteht
aus einem Ventilkörper 43 mit – in Strömungsrichtung 9 gesehen – einer
kegelstumpfförmigen
Ventilfläche 44,
einem daran anschließenden,
zylindrischen Mittelabschnitt 45 und schließlich einem
verjüngten
Zylinderabschnitt 46. Zur Aufnahme der Ventilfläche 44 ist
die Ausnehmung 47 in dem ringförmigen Plättchen 23 an der stromabwärtigen Seite
kegelförmig
angefast, vorzugsweise mit dem selben Kegelöffnungswinkel wie die Ventilfläche 44.
Der zylindrische Mittelabschnitt 45 hat etwa denselben
Durchmesser wie der Hohlraum 22 innerhalb der Hülse 19 und
bildet damit eine Führung
des Ventilkörpers 43.
Da der vordere Zylinderabschnitt 46 demgegenüber verjüngt ist,
bildet er zusammen mit der Hülseninnenwand 48 einen
Ringraum 49, in welchem eine Schraubendruckfeder 50 angeordnet
ist. Diese stützt
sich auf der Abstufung 29 zwischen Hülsenhohlraum 22 und
einem demgegenüber
verengten Strömungspfad 30 ab
und preßt gleichzeitig
die Ventilfläche 44 in
den Ventilsitz 47.
-
Überschreitet
ein auf die stromaufwärtige Stirnfläche 51 des
Ventilkörpers 43 wirkender
Fluidüberdruck
die Anpreßkraft
der Schraubendruckfeder 50, so wird die Ventilfläche aus
dem Ventilsitz gedrückt
und das Ventil 21 geöffnet.
Das Ventil bleibt daher bei einem zu geringen Druck, bei welchem
die Zerstäubung
nicht mehr einwandfrei gewährleistet ist,
vollständig
geschlossen, so dass ein Tropfen vermieden wird.
-
Andererseits erhöht sich beim Öffnen des Ventils 21 die
aktive Querschnittsfläche
des Ventilkörpers 43 auf
den Querschnitt seines Mittelabschnitts 45, so dass das
Ventil 21 bereits mit einem weitaus geringeren Fluiddruck
noch offenghalten wird. Es ergibt sich somit eine Hysterese für die Schaltfunktion
des Ventils, so dass ein Ventilflattern völlig vermieden wird, auch wenn
der Fluiddruck sich in einem ungünstigen
Bereich befindet.
-
Damit bei eingesetztem und geschlossenem Ventil 21 kein
Anteil des zu zerstäubenden
Mediums bspw. an der Außenseite
der Hülse 19 entlang
zu der Verwirbelungskammer 17 gelangen kann, ist im Bereich
der Berührungsfläche zwischen
der Hülse 19 und
dem ringförmigen
Plättchen 23 ein
Dichtring 52 vorgesehen, der fest an die Innenseite des
Hohlraums 7 gepreßt
wird und einen dort ggf. verbleibenden Spalt somit restlos abdichtet.
Um Platz für
diesen Dichtring 52 zu schaffen und diesen gleichzeitig
zu fixieren, sind die Außenkanten
der aneinanderliegenden Stirnseiten von Hülse 19 und Ringplättchen 23 angefast,
so dass sich an dieser Stelle ein ringförmiger Hohlraum mit etwa dreieckigem
Querschnitt zur Aufnahme des Dichtrings 52 ergibt.