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Vorrichtung zur Erzeugung von Schall- und Ultraschallschwingungen
in Gasen und Flüssigkeiten Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung
von Schall- und Ultraschallschwingungen in Gasen und/oder Flüssigkeiten mittels
mehrerer mit Durchlaßöffnungen für die Gase und/oder Flüssigkeiten versehenen Zylindern,
Rädern oder Scheiben, von denen einige oder alle so drehbar sind, daß ihre Durchlaßöffnungen
aneinander vorbei und dabei vorübergehend zur Deckung gelangen.
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Derartige Schwingungserzeuger müssen, wenn sie allen Anforderungen
voll entsprechen sollen, folgende Bedingungen erfüllen: 1. Die Hauptfrequenz der
Schwingungen muß sehr zahlreiche und sehr kräftige, gut abgegrenzte freie Harmonische
haben.
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2. Die Schwingungen müssen kräftig sein.
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3. Die Vorrichtung zur Erzeugung der Schwingungen soll nicht zu diffizil
im Aufbau und nicht zu umständlich in der Bedienung sein.
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Die bisher bekannten Ausführungen entsprechen diesen Anforderungen
deswegen nicht in ausreichendem Maße, weil der Abstand- zwischen den Öffnungen bzw.
den sie enthaltenden Teilen aus fertigungstechnischen und wirtschaftlichen Gründen
mehr als 0,03 mm beträgt, wodurch die Strömung nach dem Verlassen der Öffnungen
des einen Teiles über diesen Spielraum mehr oder minder abströmt bzw. ausbricht
und nur ein Teil durch die Gegenöffnungen hindurchströmt. Ein geringerer Abstand
als 0,03 mm ist fertigungstechnisch äußerst schwer herzustellen, wenn berücksichtigt
wird, daß der Rotor, der einen Teil der Öffnungen enthält, in vielen Fällen mit
mehr als 3000 Umdrehungen pro Minute umlaufen muß. Wenn bei einer derartigen Geschwindigkeit
nur die geringste Ungenauigkeit, z. B. Unwucht od. dgl., vorhanden ist oder sich
einstellt, dann geht die Vorrichtung zu Bruch.
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Die Erfindung vermeidet die bisher bestehenden Nachteile dadurch,
daß die Durchlaßöffnungen düsenartig ausgebildet sind und der Zwischenraum zwischen
den sie enthaltenden Zylindern, Rädern oder Scheiben im Bereich der einander zugekehrten
Düsenöffnungen gegen seitliches Abströmen des strömenden Mittels abgedichtet ist.
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Ein derart ausgebildeter Schwingungserzeuger entspricht den vorstehend
unter 1 bis 3 angegebenen Bedingungen.
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Dadurch, daß die Abdichtung vorgesehen ist, wird das seitliche Abströmen
oder Ausbrechen der Strömung unterbunden und verhindert, daß die Strömungsgeschwindigkeit
und die Bedingungen, mit denen das Mittel durch die Öffnungen strömt, sich dauernd
ändern. Ferner ist die erreichbare Frequenz erheblich besser bestimmt und stabiler
als beim Fehlen einer Abdichtung, da im letzteren Falle unvermeidlich eine Schicht
der Strömung durch den Rotor in Drehung versetzt wird und wie ein Schirm auf die
Hauptströmung wirkt, die durch die Lochbahn hindurchtritt, welche aus den aneinander
vorbeilaufenden Löchern gebildet wird. Ein solcher Schirm wirkt dieser Hauptströmung
entgegen und verändert erheblich die Frequenz, indem er ihre Stärke durch Abbremsen
der Strömungsstrahlen bedeutend verkleinert.
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Es sind somit die Bedingungen zu 1 und 2 erfüllt. Die unter 2 angegebene
Bedingung wird dadurch erfüllt, daß die Austrittskraft des strömenden Mittels besser
ausgenutzt wird, da Strömungsverluste durch die Abdichtung unterbunden werden. Da
die Stärke der Schwingungen vor allen Dingen eine Funktion der Austrittsgeschwindigkeit
ist und diese größer wird, wenn bei konstantem Verteilerdruck die Durchflußgeschwindigkeit
steigt, wird durch die düsenartige Ausbildung der Öffnungen die Durchtrittsgeschwindigkeit
erheblich beschleunigt und auch die Austrittsgeschwindigkeit und damit die Stärke
des Schwingungserzeugers wesentlich vergrößert.
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Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung besteht die Dichtung
aus Kunststoff, insbesondere
Polytetraf(uorätylen mit geringem Reibungskoeffizienten,
großer Abtriebsfestigkeit und einer Hitzebeständigkeit von über 300° C.
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Außerdem sind die Zuführungsdüsen zweckmäßig als Injektordüsen und
die Abführungsdüsen als Expansionsdüsen ausgebildet. Ferner kann die Ausbildung
derart sein, daß der oder die die Injektordüsen enthaltenden Körper entgegengesetzt
zu dem oder den die Expansionsdüsen aufweisenden Körpern umlaufen.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann der die Injektordüsen
und/oder der die Expansionsdüsen enthaltende Körper eine regelbare Resonanzverstärkungs-
oder Konzentrationskammer aufweisen, die aus einem oder mehreren Hohlräumen mit
beweglicher, beispielsweise als Tauchkolben ausgebildeter Wand bestehen.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele. Es zeigen
Fig.1 bis 5 und 7 und 8 verschiedene Ausführungsformen der Erfindung, teilweise
im Schnitt, teilweise in der Ansicht, und Fig. 6 eine längs der Linie VII-VII der
Fig. 5 geschnittene Teilansicht.
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Bei der Ausführung nach Fig.1 hat der sich drehende Teil 2a die Form
einer senkrecht zu der Drehwelle 3 a liegenden Scheibe. Der Antrieb erfolgt über
den Motor l a. Die Gegenscheibe 4 a steht fest und wird durch die
eine Wand eines die Welle 3 a konzentrisch umgebenden Ringraumes 6 gebildet. Das
strömende Mittel gelangt über die Leitung 7 in Richtung des Pfeiles f in den Ringraum
6. Die Wand 4 a
hat düsenartige Löcher 8a, 8b, über die das strömende
Mittel aus dem Ringraum 6 ausströmt.
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Zwischen der drehbaren Scheibe 2 a und der feststehenden Scheibe 4
a liegt eine Dichtung 10, die mit mehreren Durchtrittsöffnungen für das strömende
Mittel versehen ist.
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Die Scheibe 2a hat mehrere düsenartige Öffnungen 9. Diese sowie die
Öffnungen 8 a, 8 b und die Öffnungen in der Dichtung 10 liegen auf Kreisen, die
den gleichen Radius, bezogen auf die Längsachse der Drehwelle 3 a, haben.
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Das strömende Mittel gelangt aus dem Ringraum 6 über die Öffnungen
8 a, 8 b und die in der Dichtung 10 befindlichen Öffnungen zu den an diesen öffnungen
vorbeilaufenden Öffnungen 9 der Scheibe 2a, aus denen es dann austritt.
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Bei der Ausführung nach Fig. 2 ist ein Gehäuse 2 b mit einem Hohlraum
12 vorgesehen, das über die Hohlwelle 3 b durch den Motor 1 b angetrieben wird.
Dieses Gehäuse ist von einem Gehäuse 4 b umgeben, das von einem Motor 11 über eine
Welle 16 seinen Antrieb erhält. Zwischen der Umfangswand des Gehäuses 4 b und der
ihr zugekehrten Umfangswand des Gehäuses 2 b liegt eine Dichtung 17.
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Das Gehäuse 2 b hat in seiner durch die Dichtung abgedichteten Umfangswand
düsenartige Öffnungen 15. Das Gehäuse 4 b hat in der durch die Dichtung 17 abgedichteten
Umfangswand düsenartige öffnungen 14 a, 14 b. Die Dichtung 17 hat ebenfalls Durchtrittsöffnungen
für das strömende Mittel, das über die Drehwelle 3 b in den Raum 12 des Gehäuses
2 b gelangt.
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Die Drehwelle 3 b ist über eine Dichtung 13 mit der feststehenden
Zuführungsleitung 7 b für das strömende Mittel verbunden, das sich in Richtung des
Pfeiles f bewegt. Die Öffnungen 14 a, 14 b und
die in der Dichtung 17 befindlichen Öffnungen sowie die in der Umfangswand des Gehäuses
2 b sitzenden öffnungen 15 liegen in der gleichen Querschnittsebene.
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Bei der Ausführung nach Fig. 3, die weitgehend der nach Fig. 1 ähnelt,
ist wiederum - wie bei Fig. 1 - ein feststehender Teil 4 c vorgesehen, der einen
Ringraum 6c aufweist, in den das strömende Mittel über die Leitung 7 c in Richtung
des Pfeiles f eintritt. Dieser Teil 4 c umfaßt U-förmig den Rotor 2 c, der über
die Welle 3 c durch den Motor 1 c angetrieben wird. Die Form des Rotors geht aus
Fig. 3 hervor. Er besitzt in seiner Umfangswand düsenförmige Öffnungen
19, die in der gleichen Querscbnittsebene liegen wie die in der ihm zugekehrten
Umfangswand des feststehenden Teiles 4 c befindlichen düsenförmigen Öffnungen 18.
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Zwischen den einander zugekehrten Umfangswänden, die die Öffnungen
18, 19 enthalten, befindet sich an dieser Stelle wiederum eine Dichtung, die der
Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt ist.
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Die aus den Düsen 19 austretende Strömung wird durch den Teil 20 des
Rotors 2 c in Richtung des Pfeiles f abgelenkt, so daß sie dann parallel der Achse
der Drehwelle 3 c verläuft.
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Die Ausführung nach Fig. 4 stellt eine Abänderung derjenigen nach
Fig. 3 dar. Der mittels des Motors 1 d über die hohle Drehwelle
3 d angetriebene Rotor 4 d hat die Form eines dichtwandigen Hohlzylinders
und besitzt einen Ringraum 6 d, in den das strömende Mittel über die hoble Drehwelle
3 d gelangt, welche mit der Zuführungsleitung 7 d über eine Dichtung 13 d verbunden
ist.
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Der Rotor 4 d läuft in einem Gehäuse 5 d, dessen offene Seite 26,
27 schalenartig ausgebildet ist. In diese offene Seite ist ein Ringkragen 23, 25
eingesetzt, der mit dem Gehäuse 5 d verbunden ist und in der Mitte einen
spitzen Kegel 27' hat. In den hohlen Ringkragen 23, 25 ragt ein Ringkragen 22 des
Rotors 4 d hinein, der von seiner Vorderseite 2 d hervorsteht und düsenartige Mündungen
aufweist, die hinter Öffnungen in der Stirnwand des Ringkragens 23, 25 liegen. Außerdem
sind seitlich in den Wänden des Ringkragens 23, 25 Düsen 22 a, 22 b, 22 c, 22
d vorgesehen, die in einer Ebene liegen, welche radial zu der Achse der Drehwelle
3 d verläuft.
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In der gleichen Ebene liegen seitlich in den Wänden des Ringkragens
2 düsenartige Öffnungen 21 a, 21 b. Der Ringkragen 23, 25 ist mit einem zentralen
Zapfen in einem Kugellager 29 gelagert, das in einer Vertiefung des Rotors 4 d sitzt.
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Über den Teil 24 des Gehäuses 5 d kann ein endloser Riemen
laufen, der von einem nicht dargestellten Hilfsmotor angetrieben wird, so daß dann
das Gehäuse 5 d in Drehung versetzt wird.
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Die aus den Düsen 21 a, 21 b über die Düsen 22 a bis 22 d austretende
Strömung wird durch die einen Reflektor bildenden Teile 26, 27, 27' in Pfeilrichtung
f parallel zur Achse der Drehwelle 3 d abgelenkt. Die zwischen den düsenartigen
Öffnungen 21 a, 21 b und 22a bis 22d liegenden Dichtungen, die ein
seitliches Ausbrechen der Strömung verhindern, sind in der Zeichnung nicht dargestellt.
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Bei der Ausführung nach Fig.5 und 6 ist der Rotor 2 e mittels zweier
Kugellauflager 28, 29 und eines Kugeldrucklagers 30 in dem feststehenden Gehäuse
4 e gelagert, das in seiner Umfangswand 4 f mehrere düsenartige Austrittsöffnungen
31a hat. In
dieser Umfangswand 4 j ist ein aus Kunststoff, Metall
od. dgl. bestehender sogenannter Gleitring 33 angeordnet, der düsenartige Öffnungen
31 b besitzt. Diese düsenartigen Öffnungen 31b liegen in der gleichen Querschnittsebene
wie die Öffnungen 31a der Umfangswand 4 j des Gehäuses 4 e.
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Der Rotor 2e hat an seinem Umfang mehrere Ausnehmungen 35, in denen
mit Gleitsitz und durch Dichtungen 36 abgedichtete Einsätze 34 gelagert sind, die
düsenartige Öffnungen 32a, 32b besitzen. Diese düsenartigen Öffnungen schließen
sich an radiale Kanäle 39 an, welche in dem Rotor 2 e angeordnet sind und sich von
der zentralen Kammer 6f, die mit der zentralen Bohrung 6 e der Hohlwelle 3 e in
Verbindung steht, bis zum Rotorumfang erstrecken.
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Bei der Drehung des Rotors werden die die Düsen 32 a,
32 b enthaltenden Einsätze 34 mit ihrem Kopf 37 durch die Fliehkraft
gegen den Gleitring 33 gedrückt, wodurch die Abdichtung erfolgt. Dadurch wird verhindert,
daß das strömende Mittel seitlich in den Raum 38- zwischen den Düsen abströmen bzw.
ausbrechen kann.
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Die Fig. 7 zeigt eine Ausführung, die z. B. zur Nebelbekämpfung verwendbar
ist. Hierfür wird ein flüssiges Strömungsmittel für den Primärfluß verwendet, während
der Sekundärfluß mittels einer Membran ausp-esandt wird. Bei dieser Ausführungsform
ist der Antriebsmotor 1 h über eine elastische Kupplung 53 mit der Welle 54 einer
Pumpe, eines Verdichters od. dgl. verbunden, in den das zur Erzeugung der Primärströmung
dienende Mittel strömt. Die Welle 54 ist an ihrem anderen Ende über eine elastische
Kupplung 56 mit der Welle 3 h des Rotors 2h verbunden, der ähnlich wie derjenige
der Fig. 2 ausgebildet ist und einen parabolischen Reflektor 62 besitzt. Der feststehende
Teil 4 h weist zwei ringförmige, konzentrische, zylinderische Kammern 57, 58 auf.
Die mit der Pumpe od. dgl. über ein Druckventil 71 verbundene Kammer 58 enthält
das Strömungsmittel unter hohem Druck.
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Diese Kammer steht über Tauchrohre 72 a, 72 b mit einer ringförmigen
Kammer 6h in Verbindung, in deren innerem Umfang die düsenartigen Öffnungen 60a,
60b sitzen, welche mit schematisch dargestellten Dichtungsvorrichtungen
59 a, 59 b versehen sind. Der Rotor 2 h weist mehrere Öffnungen 61
a, 61 b auf. Wenn eine der Öffnungen 60 genau einer Öffnung 61 gegenüberliegt,
tritt ein Teil des Strömungsmittels unter Druck aus und trifft auf den Reflektor
62, der es in Richtung der Pfeile j gegen die Membran 63 ablenkt. Das unter niedrigem
Druck stehende Strömungsmittel gelangt hierauf über die durch Rückschlagventile
65a, 65b angeschlossenen Rohre 64a,
64 b in die Kammer 57. Anschließend
wird es mittels der Pumpe 55 über das Ansaugventil 66 wieder in den Strömungskreis
eingeführt.
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In der Zeichnung sind in den Kammern 57, 58 die Trennlinien zwischen
der in dem oberen Teil 69, 70 befindlichen Luft und der in dem unteren Teil
67,68
liegenden Flüssigkeit wiedergegeben. Diese verdichtete Luft vergleichmäßigt
die Strömung des Strömungsmittels.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 8 besteht der Rotor 2 j aus einer
Scheibe, welche mit Löchern versehen ist, die auf einem zu der Drehachse konzentrischen
Kreis liegen. Diese Scheibe 2j, die auswechselbar sein kann, ist an der Drehwelle
3 j mit Hilfe von zwei breiten Ringen 81, 82 befestigt. Eine an dem anderen Ende
der Drehwelle 31
befestigte Stufenscheibe 83 dient zum Antrieb mit veränderlicher
Geschwindigkeit mit Hilfe eines nicht dargestellten Hilfsmotors.
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Die Welle 3 j ist mittels Kugellager 84, 85 in dem Gehäuseblock 86
gelagert, welcher mit dem Gehäuseblock 87 durch eine nicht dargestellte Vorrichtung
fest verbunden ist. Beide Gehäuseblöcke 86, 87 werden mittels eines Zentrierringes
88 zueinander sowie zu der Scheibe 2 j zentriert. Dieser Ring erlaubt ferner die
Einstellung der Dicke des für die Drehung dieser Scheibe 2 j vorgesehenen Spaltes.
Die Genauigkeit dieser Einstellung ist für ein einwandfreies Arbeiten der Vorrichtung
von erheblicher Bedeutung.
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Das strömende Mittel wird über den Stutzen 89 in einen ringförmigen,
im Gehäuseblock 86 befindlichen Kanal 90 geleitet, von wo es in die Kanäle
91 a, 91 b und von hier zu den Injektoren 92 a, 92 b gelangt, die
gleichmäßig um die Drehwelle 3 j so verteilt sind, daß ihre düsenförmigen Mündungen
98 nahe der Drehscheibe 2 j und in einem radialen Abstand von der Achse dieser Scheibe
münden, der dem Radius des Kreises entspricht, auf dem die Scheibenöffnungen liegen.
Die Zahl der Injektoren 92a, 92b, die Form und die Abmessungen der Ausströmquerschnitte
ihrer Düsen sind in Bezug auf die Zahl der Öffnungen der Scheibe 2 j gemäß der Erfindung
gewählt. Die Form ist so, daß das austretende Strömungsmittel eine große Geschwindigkeit
erhält, wenn die Düsen den Öffnungen der Scheibe 2 j gegenüberliegen. Durch diese
Ausbildung wird eine große Leistung erreicht.
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In der Gehäusehälfte 87 sitzen Ejektoren 93 a, 93
b,
deren Form derjenigen der Injektoren 92 a, 92 b entspricht. Die Ejektoren
93 a, 93 b sind durch radiale Kanäle 94 a, 94 b mit einer Sammelkammer
95 verbunden, welche sich an den Fuß eines Strahltrichters 101 anschließt. Das unter
Druck durch den Einlaßstutzen 89 eintretende Strömungsmittel wird durch den ringförmigen
Kana190 und die Kanäle91a, 91b auf die Injektoren 92 a, 92 b verteilt. Jedesmal,
wenn eine Öffnung des Rotors 2 j zwischen die Düsenmündungen eines Injektors und
eines Ejektors gelangt, tritt das strömende Mittel aus dem Injektor in den Ejektor
und wird anschließend durch die radialen Kanäle 94 a, 94 b der Sammelkammer 95 zugeleitet,
von wo es in den Trichter 101 gelangt. Die verschiedenen Kanäle
91 a, 91b, 94a, 94b können eine gewisse Elastizität besitzen.
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Das Fassungsvermögen der Injektoren und der Ejektoren kann durch bewegliche
Wände, die im Beispiel als an Kolbenstangen 96a, 96b bzw. 97a, 97b
sitzende Kolben ausgebildet sind, so geändert werden, daß die Mündung 98 eines Injektors
mit einem Schwingungsbauch der Injektorkammer und die Mündung 99 des Ejektors mit
einem Schwingungsknoten der Ejektorkammer zusammenfallen, wodurch eine Vergrößerung
der Leistung erzielt wird.
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Zwischen den Mündungen der Injektoren und der Ejektoren sowie der
Scheibe 2 j sind Dichtungen 100 vorgesehen, die vorteilhaft aus einem plastischen
Werkstoff, z. B. Polytetrafluoräthylen, bestehen, die einen geringen Reibungskoeffizienten
und eine gute Temperaturfestigkeit haben. Um etwaige Verformungen, Abweichungen
von der ebenen Form u. dgl. der sich drehenden Anordnung zu vermeiden, sind die
Ejektoren
und die Injektoren vorzugsweise an den Flanschen, mittels elastischer Mittel 102
gelagert, welche zwischen zwei Schultern 103, 104 od. dgl. liegen.