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Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Vergleichmäßigung der Dicke eines Flüssigkeitsvolumens sowie Vorrichtungen zur Teilung eines Flüssigkeitsvolumens in vorgegebene Anteile.
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Flüssigkeiten werden in der Regel über Leitungen zu Verbrauchern transportiert. Die Leitungen sind über den gesamten Querschnitt mit Flüssigkeit gefüllt, und die Versorgung der einzelnen Verbraucher erfolgt über Zweigleitungen, welche an eine Hauptleitung angeschlossen sind und die einzeln im Durchsatz steuerbar sind, in der Regel durch mehr oder weniger starkes Öffnen von Steuerelementen wie Ventilen.
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Für manche Anwendungsfälle sind die zu verteilenden Flüssigkeitsmengen sehr gering und sie füllen dann eine Leitung, die zu ihrem Transport verwendet wird, nicht über den vollen Querschnitt aus. Das Flüssigkeitsvolumen hat dann die Form von Tropfenketten, Flüssigkeitsfäden, Flüssigkeitssträhnen, Flüssigkeitsbändern oder Flüssigkeitstüchern, und der Rest des Leitungsquerschnittes ist von Flüssigkeit frei.
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In solchen Fällen bereitet die reproduzierbare Aufteilung der kleinen Flüssigkeitsmengen auf verschiedene Verbraucher oder Lasten Probleme bezüglich des Einhaltens des vorgegebenen Anteiles und oft auch bezüglich der zeitlichen Konstanz der Teilmengen.
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Ein Beispiels für die Förderung kleiner Flüssigkeitsmengen an verschiedene Verbraucher ist zum Beispiel die Versorgung einer Mehrzahl von Bearbeitungszentren mit kleinen Ölmengen, die zum Schmieren der Schneidkanten von Werkzeugen dienen. Die zu einem Werkzeug zu liefernden Mengen an Schmiermittel (SM) liegt im Bereich von einigen wenigen ml/Stunde bis hin zu einigen Hundert ml/Stunde.
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Ein weiteres Beispiel ist die Schmierung von Lagerstellen von Maschinen.
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Typischerweise erfolgt der Transport des SM zur Einsatzstelle dadurch, dass man die Flüssigkeit zerstäubt und in einem Luftstrom suspendiert durch Kanäle der Werkzeugmaschine zu einem SM-Werkzeugkanal führt, durch welchen das SM dann die Schneide erreicht. Auf diesem Weg scheiden sich allerdings Teile der zerstäubten Flüssigkeit auf den Wänden von Kanälen ab, durch welche das Aerosol geführt wird. Dieses abgeschiedene SM bildet einen Wandfilm, der unter dem Einfluss von durch die Kanäle bewegter Transportluft verglichen mit der Luftgeschwindigkeit langsam zur Schneidkante wandert.
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Bei langen Transportwegen ist der Anteil der wieder abgeschiedenen Flüssigkeitströpfchen groß und wenn man mehrere Verbraucher gleichermaßen gut aus einer SM-Quelle versorgen will, muss man dafür sorgen, dass auch die durch Abscheiden erhaltenen SM-Flüssigkeitsvolumina in vorgegebenen Anteilen zu den verschiedenen Verbrauchern geführt werden.
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Hierzu wird erfindungsgemäß zunächst die Aufgabe gelöst, das Flüssigkeitsvolumen so umzuformen, dass es nachher gleichförmigere Dicke aufweist.
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Dies erfolgt erfindungsgemäß so, dass man auf das Flüssigkeitsvolumen eine Kräfteanordnung einwirken lässt, die in entgegengesetzte Richtung weisende Kraftkomponenten umfasst. Hierzu kann man zum Beispiel ein Flüssigkeitsvolumen von beiden Seiten her mit je einem Luftstrom beaufschlagen, oder das Flüssigkeitsvolumen auf einer Seite abstützen und auf der anderen anströmen, oder das Flüssigkeitsvolumen mechanisch quetschen, z. B. durch Zusammendrücken eines flexiblen Schlauches, durch welchen die Flüssigkeit gefördert wird. Nach diesem Breitlegen des Flüssigkeitsvolumens kann dann die erhaltene Flüssigkeitsschicht durch Trennen längs parallel zur Förderrichtung verlaufender Trennlinien in Teilströme zerlegt werden, die einen gewünschten Anteil des aufgegebenen Flüssigkeitsvolumens ausmachen.
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Vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
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Bei der in Anspruch 2 angegebenen Vorrichtung wird die eine Kraft als Reaktionskraft von einem Stützelement bereitgestellt. Die Reaktionskraft wird durch eine Kraft miterzeugt, die auf die vom Stützelement abliegende Oberfläche des Flüssigkeitsvolumens einwirkt.
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Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 3 ist deshalb vorteilhaft, weil das Breitlegen des Flüssigkeitsvolumens nicht durch Abstoßung der Flüssigkeit durch die Oberfläche des Stützelementes behindert wird. Eine entsprechend präparierte Oberfläche des Stützelementes kann man auf mechanische Weise (z. B. durch Sandstrahlen Überdrehen, Schleifen), auf physikalische Weise (z. B. durch Ätzen in einer Gasentladung, Konditionieren mit einem Elektronenstrahl, Aufsputtern von Material), auf chemische Weise (z. B. Ätzen oder Aufbringen einer die Flüssigkeit akzeptierenden Oberflächenschicht) realisieren.
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Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 4 ist im Hinblick darauf von Vorteil, eine möglichst kleine Dicke der Flüssigkeitsschicht zu erzielen. Dies ist zum einen darauf zurückzuführen, dass eine senkrechte Kraft in der Richtung einwirkt, in der die Dimensionsänderung des Flüssigkeitsvolumens gewünscht wird, zum anderen auch dadurch, dass eine senkrecht zur Oberfläche des Stützelementes gerichtete Kraft keine, allenfalls eine kleine Beschleunigung des breitzulegenden Flüssigkeitsvolumens bewirkt, so dass die Einwirkungszeit der Kraft groß ist.
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Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 5 ist deshalb vorteilhaft, weil man diese Kraft erzeugen kann, ohne dass hierzu die Kanalgeometrie lokal geändert werden müsste. Auch lässt sich diese Kraft im Betrieb steuern. Elektrisch polarisierbare Flüssigkeiten sind an sich bekannt, auch solche, die mit Schmiermitteln wie Ölen mischbar sind.
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Die gleichen Vorteile gelten auch für die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 6. Sie zeichnet sich ebenfalls durch Einfachkeit der zum Durchführen benötigten apperativen Komponenten aus. Insbesondere braucht die Geometrie der Kanalwand nicht lokal modifiziert zu werden, so dass eine auf der Kanalwand befindliche Flüssigkeitsschicht ohne mechanische Hindernisse auf der Kanalwand laufen kann. Die Variante des Anspruches 6 ist auch bei Flüssigkeiten verwendbar, die keine polaren Eigenschaften aufweisen, wie sie bei der Variante nach Anspruch 5 vorauszusetzen sind. Durch Magnetkräfte beeinflussbare Flüssigkeiten kann man durch Suspendieren magnetischer Partikel in Flüssigkeiten herstellen.
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Die Variante gemäß Anspruch 7 hat ebenfalls den Vorteil, dass sie durch sehr einfache Mittel realisierbar sind, z. B. durch ein geringe Höhe aufweisendes Wehr, welches den Flüssigkeitsstrom staut und dann über die gesamte Länge des Wehres Flüssigkeit in transversal gleicher Weise abströmen lässt. Durch den Einbau eines niederen Wehres wird nur eine geringe Änderung der Strömungsverhältnisse für Luft erhalten, so dass derartige Wehre für viele Anwendungsfälle akzeptabel sind.
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Die mechanische Kraft kann auch durch Rotation des Flüssigkeitsvolumens erzeugt werden, insbesondere durch Rotation eines Stützelementes, auf dem sich das Flüssigkeitsvolumen befindet.
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Man kann eine Vergleichmäßigung der Dicke eines Flüssigkeitsvolumens auch dadurch erhalten, dass man die Flüssigkeit über eine Anordnung von Strömungs-Deflektorelementen führt, die jeweils zwei geneigte Seitenflächen aufweisen und wie der Bug eines Schiffes oder das Fundament einer Brücke die ankommende Strömung teilen.
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Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 9 wird erreicht, dass die Flüssigkeit, wenn ihre Ausgangs-Schichtdicke nicht sehr gering ist, nur zu einem Teil um die volle stromabseitige Breite des Verteilelementes transversal abgelenkt wird, die näher bei der freien Oberfläche des Flüssigkeitsvolumens liegenden Deflektore des Flüssigkeitsvolumens können teilweise über die Deckfläche des Deflektorelementes hinwegströmen.
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Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 10 ist im Hinblick darauf vorteilhaft, dass am Ende der Vorrichtung über die gesamte transversale Abmessung die erhaltene Flüssigkeitsschicht im Wesentlichen konstante Dicke hat.
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Kleinere Abweichungen von dieser Verteilung kann man gezielt dadurch einstellen, dass man entweder einzelne der Deflektorelemente asymmetrisch gestaltet oder einzelne der Deflektorelemente so verdreht, dass ihre Längsachse einen kleinen Winkel zur Strömungsrichtung des Flüssigkeitsvolumens aufweist, oder auch dadurch dass die Drehachse eines rotierenden Stützelementes geringfügig zur Achse der Stützfläche versetzt ist.
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Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 11 ist wieder im Hinblick auf eine gute Gleichverteilung der Dicke der erhaltenen Flüssigkeitsschicht von Vorteil.
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Gleiches gilt für die Weiterbildung der Erfindung gemäß den Unteransprüchen 12 und 13.
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Die Vorrichtung, welche im Anspruch 14 angegeben ist, eignet sich besonders gut zur Vergleichmäßigung von Flüssigkeitsvolumen, die sich auf der Wandfläche eines Rohres bzw. eines rohrförmigen Kanales befinden.
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Anspruch 15 gibt eine einfache Möglichkeit an, ein Flüssigkeitsvolumen während der Behandlung in einer vorgegebenen Richtung zu fördern.
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Dabei ist die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 16 dahingehend von Vorteil, dass durch die lokalen Aufsteilungen der freien Oberfläche des Flüssigkeitsvolumens Angriffsflächen für die Transportluft erhalten werden. Auf diese Weise ist ein effektiveres Bewegen des Flüssigkeitsvolumens in Förderrichtung möglich.
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Dabei ist bei Anwendung der Maßnahme des Anspruches 17 gewährleistet, dass eine lokale Wirbelbildung zu Tröpfchenablösung vom Flüssigkeitsvolumen führt. Wenn diese im weiteren Verlauf des Weges zum Verbraucher wieder auf Wänden kondensieren, ist dies für die Vergleichmäßigung des Flüssigkeizsvolumens nicht nachteilig, vielmehr vorteilhaft, da ein Rekondensieren gleichmäßig erfolgt.
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Gemäß Anspruch 18 wird eine mit einfachen Mitteln auskommendes Vorrichtung zum Zerteilen eines Flüssigkeitsvolumens in vorgegebene Anteile angegeben, bei der zunächst das Flüssigkeitsvolumen in der Dicke vergleichmäßigt (breitgedrückt) wird und dann die breitgedrückte Flüssigkeit, die im wesentlichen konstante transversale Dichteverteiling hat, an transversal beabstandeten Stellen in Teilströme zerlegt wird. Über den Abstand der Teilstellen kann man die Größe der erhaltenen Teilströme einstellen. Dabei ist dann die Strömungsgeschwindigkeit in den verschiedenen Teilströmen gleich, deren Querschnitt aber gemäß dem gewünschten unterschiedlichen Anteil verschieden.
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Dieses Teilen kann gemäß Anspruch 19 durch Kollektoren folgen, die zum Beispiel die Form in Förderrichtung schräg nach außen verlaufender Öffnungen haben können.
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Deren Umfangserstreckung und/oder Tiefe und/oder Oberflächenbeschaffenheit erlauben eine Einstellung des auf den entsprechenden Kollektor entfallenden Anteiles des ursprünglichen Flüssigkeitsstromes.
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Zugleich wird die Transportluft auf die verschiedenen Ausgangsöffnungen verteilt und jeweils treibt den über den Ausgang abgegebenen Teilstrom weiter in Richtung auf den zugeordneten Verbraucher.
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Vorzugsweise werden die Teilströme an ähnliche oder gleiche Anforderungen stellende Verbraucher abgegeben, z. B. gleiche Bearbeitungseinheiten unterschiedlicher Bearbeitungszentren.
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Gemäß Anspruch 20 kann man die verschiedenen Teilströme leicht voneinander räumlich trennen. Dies lässt sich insbesondere auch in für die verschiedenen Teilströme gleicher Art ermöglichen.
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Eine Steuerung des Anteiles der verschiedenen Teilströme über die Eigenschaften eines Kollektors ist Gegenstand des Anspruches 21. Man kann hierzu steuerbare Leitwände verwenden, z. B. Bimetallstreifen oder Piezolamellen.
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Auch die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 22 dient dem Zweck, die Größe der Teilströme einzustellen, insbesondere auch systembedingte Ungleichheiten eines Systems durch Einstellen der Deflektorelemente zu kompensieren.
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Gleiches gilt für die Weiterbildung der Vorrichtung gemäß Anspruch 23, wobei dort nun die Korrektur mit der Größe eines Teilstromes durch Steuerung der Temperatur des ihn führenden Kollektorkanales erfolgt.
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Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 24 erlaubt es, die Teilströme zu beschleunigen oder zumindest Geschwindigkeitsverluste der Teilströme auszugleichen, die sich aus der Reibung des Schmiermittel auf der Wand von Kanälen ergibt.
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Gemäß dem Vorrichtung nach Anspruch 25 macht man von der genauen Teilung eines einlaufenden Flüssigkeitsstromes in gewünschte Anteile zu Gebrauch, verschiedene Werkzeuge mit ihnen angepassten Mengen an SM zu versorgen.
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Dabei kann man gemäß der Weiterbildung des Anspruches 26 kurz vor dem Punkt des Förderweges, an welchem das SM in einen Werkzeugkanal des Werkzeuges eintritt, Zusatzluft zuführen, durch die das SM dann an der Austrittskante des Werkzeugkanales in Schichtflitter oder Tröpfchen umgewandelt wird, je nach dem, ob sich die Schneide des Werkzeuges schon in Eingriff mit Material befindet oder noch von der Materialoberfläche beabstandet ist.
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Die Ansprüche 27 bis 58 treffen Vorrichtungen, mit denen die gleichen Vorteile erhalten werden, wie sie oben stehend in Verbindung mit den Ansprüchen 1 bis 26 geschildert wurden.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
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In dieser zeigen:
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1: eine schematische Darstellung eines numerischen Bearbeitungszentrums mit vier unabhängigen Bearbeitungseinheiten, die gleichermaßen von einer zentralen Versorgungseinheit her mit SM versorgt werden;
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2: einen axialen Schnitt durch eine erste Variante einer Vergleichmäßigungseinheit, welche fluidisch arbeitet;
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3: eine zweite Variante einer Vergleichmäßigungseinheit, welche durch Zentrifugalkraft ein Flüssigkeitsvolumen breitdrückt, wobei die Zentrifugalkraft nach dem Zyklonprinzip erzeugt wird;
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4: ebenfalls einen axialen Schnitt durch eine Vergleichmäßigungseinheit, die mit Zentrifugalkraft arbeitet, wobei Letztere aber nun durch eine Zentrifugentrommel erzeugt wird;
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5: eine weitere Variante einer Vergleichmäßigungseinheit, bei welcher auf das Flüssigkeitsvolumen eine elektrostatische Kraft ausgeübt wird;
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6: eine schematische Darstellung einer Vergleichmäßigungseinheit, welche eine Vielzahl regelmäßig versetzt angeordneter Deflektorelemente aufweist;
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7: eine Ansicht der Verteileinheit von 6, dort von links gesehen;
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8: eine Aufsicht auf die Verteileinheit von 6;
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9: eine seitliche Ansicht der Verteileinheit von 6, dort von vorn gesehen;
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10: eine schematische Aufsicht auf die Verteileinheit nach 6, wobei ausgehend von einem Aufleiten eines Flüssigkeitsstromes bei einer vorgegebenen Stelle die Entwicklung der Anteile des Flüssigkeitsstromes nach Durchqueren einer ersten, zweiten, dritten, ... und zehnten Reihe von Verteilelementen eingetragen ist;
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11: eine seitliche Ansicht einer kombinierten Vergleichmäßigungs- und Teileinheit, welche eine im Wesentlichen zylindrische Geometrie hat;
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12: einen axialen Schnitt durch die Vergleichmäßigungs- und Teileinheit von 11;
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13 und 14: Ansichten der Vergleichmäßigungs- und Teilheit von 11, dort von links bzw. von rechts gesehen;
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15: eine perspektivische Ansicht der Vergleichmäßigungs- und Teileinheit gemäß den 11 bis 14;
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16: eine seitliche Ansicht einer abgewandelten kombinierten Vergleichmäßigungs- und Teileinheit, welche einen Eingangsstrom in vier gleiche Ausgangsströme verteilt;
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17: einen axialen Schnitt durch die Vergleichmäßigungs- und Teileinheit von 16;
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18: eine perspektivische Ansicht der Vergleichmäßigungs- und Teileinheit der 16 und 17;
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19: eine steuerbare Kollektornutanordnung, deren Kanalquerschnitt durch ein angelegtes Signal steuerbar sind; und
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20: einen Längsschnitt durch ein abgewandeltes Deflektorelement mit Zerstäubungskante;
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21: eine Aufsicht auf das Deflektorelement nach 20;
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22: eine ähnliche Ansicht wie 20, in welcher ein Deflektorelement dargestellt ist, welches stromteilend und zerstäubend wirkt;
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23: eine Aufsicht auf das Deflektorelement nach 22;
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24: eine Aufsicht auf ein weiter abgewandeltes Deflektorelement, welches durch eine Schmiermittel abstoßend beschichtete Fläche gebildet ist; und
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25: eine seitliche Ansicht des Deflektorelementes nach 24, dort von unten gesehen.
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In 1 ist mit 10 insgesamt eine Versorgungseinheit für Schmiermittel (SM) bezeichnet. Diese stellt über eine Ausgangsleitung 12 ein Gemisch aus SM und Luft bereit, welche in der Luft suspendierte Tröpfchen und auf der Innenfläche der Ausgangsleitung 12 strömende Flüssigkeitsvolumina umfasst. An die Ausgangsleitung 12 ist eine insgesamt mit 14 bezeichnete Vergleichmäßigungs- und Teileinheit angeschlossen.
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Diese stellt über eine Leitungsanordnung 16, welche Leitungen 16-1, 16-2, 16-3, 16-4 umfasst, gleiche Anteile an SM an verschiedene Bearbeitungseinheiten 18-1 bis 18-4 bereit, die zusammen ein Bearbeitungszentrum 18 bilden. Bei den Bearbeitungseinheiten 18-1 bis 18-4 kann es sich um Bearbeitungseinheiten handeln, die völlig voneinander getrennt sind, z. B. vier CNC-Bearbeitungsmaschinen, es kann sich aber auch um Bearbeitungseinheiten handeln, die auf einem Bearbeitungszentrum vorgesehen sind.
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Die SM-Versorgungseinheit 10 umfasst einen Mischkopf 20, der über eine erste einstellbare Drossel 22 mit Druckluft beaufschlagt ist. Letztere wird von einem Kompressor 24 über ein Filter 26 aus der Umgebung angesaugt und über ein in die Schließstellung vorgespanntes 2/2-Magnetventil auf die Drossel 22 gegeben.
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Ein zweiter Eingang des Mischkopfes 20 ist über ein weiteres in die Schließstellung vorgespanntes 2/2-Magnetventil 30 mit dem Ausgang einer Dosierpumpe 34 verbunden, welche aus einem Vorratsbehälter 36 ansaugt, in dem sich ein Vorrat 38 an SM befindet.
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Die Steuerung der dem Mischkopf 20 zugeführten Flüssigkeitsmenge erfolgt durch Impulsbreitenmodulierung des Flüssigkeitsstromes mittels des 2/2-Magnetventiles 28.
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Ein Außengehäuse 40 umgibt den Mischkopf 20 unter im Wesentlichen konstantem Abstand, und der zwischen ihm und der Außenfläche des Mischkopfes 20 liegende Ringraum ist über eine weitere Drossel 42 mit dem Ausgang des 2/2-Magnetventiles 28 verbunden.
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Der aus dem Ringraum zwischen Außengehäuse 40 und Mischkopf 20 ausströmende Luftstrom 48 umgibt das vom Mischkopf 20 abgegebene Gemisch 46 aus Flüssigkeit und Luft.
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Der vom Mischkopf 20 abgegebenen Gemischkegel 44 und der diesen umgebende Luftmantel 46 werden durch ein Trichterteil 48 zur Einlassöffnung der Ausgangsleitung 12 radial nach innen geführt. Typischerweise hat die Ausgangsleitung 12 ebenso wie die anderen hier betrachteten Leitungen einen Innendurchmesser von 6 bis 8 mm.
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Tröpfchen, welche auf der Wand des Trichterteiles 48 abgeschieden werden, werden als Flüssigkeitsschicht vom kleinen Durchmesser aufweisenden Ende des Trichterteiles 48 getrieben und gelangen so auf die Innenfläche der Ausgangsleitung 12.
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Der Mischkopf 20 und das Trichterteil 48 sind im Inneren eines Gehäuses 50 angeordnet, dessen unterer Abschnitt einen Sumpf 52 für abgeschiedene Flüssigkeit bildet. Dessen Pegel wird durch einen Pegeldetektor 54 überwacht.
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Der Sumpf 52 ist über ein 2/2-Magnetventil 56 mit der Ansaugseite der Dosierpumpe 34 verbunden. Das 2/2-Magnetventil 56 wird durch eine nicht näher gezeigte Steuereinheit betätigt, die bezüglich der Steuerung des 2/2-Magnetventiles 56 in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Pegeldetektors 54 arbeitet. Diese Steuerung steuert ferner die 2/2-Magnetventile 28, 30 gemäß gewünschten vorgegebenen Betriebsbedingungen für die SM-Versorgungseinheit 10 ein. Dies kann entweder durch eine Zentralsteuerung des Bearbeitungszentrums 18 erfolgen oder durch manuell einstellbare Eingabemittel wie Potentiometer.
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Die Vergleichmäßigungs- und Teileinheit 14 umfasst eine mit 58 bezeichnete Vergleichmäßigungseinheit, für die nachstehend verschiedene praktische Ausführungsformen beschrieben werden, sowie eine nachgeschaltete Teileinheit 60, die ebenfalls später noch genauer beschrieben wird.
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Eine Verbindungsleitung 59, welche die Vergleichmäßigungseinheit 58 mit der Teileinheit 60 verbindet, ist als Rohr dargestellt, welches wieder in der Praxis wieder gleichen Innendurchmesser hat wie die Verbindungsleitungen 12 und 16.
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Die Bearbeitungseinheiten 18-1, 18-2, 18-3 und 18-4 umfassen jeweils eine Spindeleinheit 62, die so ausgebildet sind, wie für den Antrieb von Werkzeugen mit interner SM-Zufuhr erforderlich und an sich bekannt. Durch die Spindeleinheiten 62 werden Werkzeuge 64-1, 64-2, 64-3 und 64-4 angetrieben.
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Das soweit beschriebene System zum Zuführen von SM zu Werkzeugen 64 ist ein Einkanalsystem, da die Bearbeitungseinheiten 18-1 bis 18-4 nur einen Fluideinlass für Gemisch aus SM und Luft aufweisen.
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Falls gewünscht, kann man durch geringe, gestrichelt eingezeichnete Abwandlungen auch ein Zweikanalsystem realisieren.
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Hierzu wird ein zweiter Einlass der Bearbeitungseinheiten 18-1 bis 18-4 über eine weitere Drossel 66 mit dem Ausgang des 2/2-Magnetventils 28 verbunden. Dieser zusätzliche Eingang der Bearbeitungseinheiten 18-1 bis 18-4 steht über einen internen Kanal 68 mit einer beim Ausgang der Spindeleinheit 62 liegenden Mischeinheit 70 in Verbindung, in welcher das dort ankommende Gemisch aus SM und Luft zusammengeführt wird. Hierdurch wird die Mischung aus SM und Luft zusätzlich beschleunigt, und durch die Erhöhung des Luftvolumens wird Gemisch und auf der Wand strömendes SM mit größerer Geschwindigkeit gegen die Austrittskante des SM-Kanales 72 des Werkzeuges 64 getrieben, wo die Wandströmung in Fetzen und Tröpfchen aufgerissen wird, was im Einzelnen von den Strömungsbedingungen am Ende des Werkzeugkanales abhängt.
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In weiterer Abwandlung der Erfindung kann mann die oben beschriebene Aufteilung eines Schmiermittelstromes auf vorgegebene, vorzugsweise gleiche Teilströme auch durch eine in eine Spindel oder eine Spannzange integrierte Einheit vornehmen, um eine Vergleichmäßigung der SM-Zufuhr zu den Schneidkanten eines Werkzeuges zu erhalten, vorzusweise unter gleicher Versorgung mehrerer Schmiermittelkanäle des Werkzeuges.
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In 1 sind verschiedene Werkzeuge gezeigt:
Ein üblicher Spiralbohrer 64-1, ein Bohrer 64-2 mit glatter Außenfläche, welcher in seiner Stirnflächen Schneidplatten trägt, ein Fräser 64-3, welcher in seiner Umfangsfläche eine Mehrzahl von Austrittsöffnungen aufweist und eine Reibahle 64-4, welche an axial beabstandeten Stellen Austrittsöffnungen für das SM-/Luftgemisch aufweist.
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Bei den verschiedenen Werkzeugen sind die Austrittsöffnungen der Werkzeugkanäle durch Strahlbüschel symbolisiert. Solche Strahlbüschel werden aber nur wirklich beobachtet, wenn sich das Werkzeugende im Freiraum befindet. Befindet sich das Werkzeug im Eingriff mit abzuhebendem Material, kann das am Ende des SM-Kanales 72 ankommende SM auch ohne Zerstäuber als Film auf die Werkstückoberfläche übergeleitet werden.
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Wie aus 2 ersichtlich, umfasst eine Ausführungsform der Vergleichmäßigungseinheit 58 ein rohrförmiges Gehäuse 74, dessen Innendurchmesser mit den Innendurchmesser der Verbindungsleitungen übereinstimmt, also in der Praxis zwischen etwa 4 und etwa 12 mm beträgt.
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Im Inneren des Gehäuses 74 sind axial beabstandet zwei geometrisch gleiche kalottenförmige Leitplatten 76, 78 angeordnet, die zusammen einen gekrümmten radialen Spalt 80 vorgeben.
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Die stromaufseitige Leitplatte 76 ist von einem um 90° abgewinkelten Rohr 82 getragen, welches in ihre freie stromabseitige Oberfläche ausmündet und mit dem anderen Schenkel durch die zylindrische Wand des Gehäuses 74 hindurchgeführt ist. Dieses Ende des Rohrteiles 82 steht über ein 2/2-Magnetventil 84 mit einer nur schematisch angedeuteten Druckluftquelle 86 in Verbindung.
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Die stromabseitige Leitplatte 78 ist über einen abgewinkelten Rundstab 88 in ähnlicher Weise mit der Umfangswand des Gehäuses 74 verbunden.
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Unter Betriebsbedingungen ist das 2/2-Magnetventil 84 aufgesteuert und durch die beiden Leitplatten 76, 78 erhält man einen radial nach außen gerichteten Luftvorhang mit geringer Axialkomponente in Förderrichtung.
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In 2 und den nachstehenden Figuren ist immer anzunehmen, dass die Strömungsrichtung des Gemisches aus Luft und SM von links nach rechts verläuft, mit Ausnahme der 10 (Strömungsrichtung von oben nach unten).
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Durch den im Wesentlichen radialen Luftvorhang, der zwischen den Leitplatten 76, 78 austritt, wird auf einen Flüssigkeitsfilm 90, der möglicherweise in Umfangsrichtung und in axialer Richtung nicht gleichförmig verteilt ist, eine Kraft ausgeübt, deren Hauptkomponente in radialer Richtung weist. Hierdurch wird der ankommende Flüssigkeitsfilm 90 platt gedrückt und in Umfangsrichtung und axialer Richtung verteilt. Durch den Luftvorhang ergibt sich ferner eine gewisse Stauwirkung, die dicke Bereiche des Flüssigkeitsfilmes stärker behindert als dünne Bereiche. Auf diese Weise wird eine Gleichverteilung in Umfangsrichtung gefördert.
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Das Ausführungsbeispiel nach 3 zeigt eine Vergleichmäßigungseinheit 58, bei welcher eine radial nach außen gerichtete Kraft in Form einer Zentrifugalkraft erzeugt wird.
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Wiederum ist ein rohrförmiges Gehäuse 74 vorgesehen, welches nun aber in seiner Umfangswand eine tangential einmündende Druckluftöffnung 92 aufweist, deren Achse zugleich eine geringe axiale Richtungskomponente hat. Auf diese Weise wird im Inneren des Gehäuses 74 ein wendelförmig kreisender Luftstrom 93 erzeugt, ähnlich wie in einem Zyklon.
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In 3 ist der aus der Düsenöffnung 92 austretende Luftstrom in seinen hinter der Zeichenebene liegenden Abschnitte durch ausgezogene Striche, in seinen vor der Zeichenebene liegenden Abschnitten durch gestrichelte Linien angedeutet.
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Durch diesen Luftstrom wird ein Flüssigkeitsfilm 90, der auf der Innenfläche des Gehäuses 74 läuft, wieder platt gedrückt und in Umfangsrichtung und axialer Richtung vergleichmäßigt. Über die axiale Anstellung der Druckluftöffnung 92 kann vorgegeben werden, wie oft die Luft im Gehäuse 74 umläuft, bevor sie dieses wieder verlässt. Auf diese Weise lässt sich auch die Zeit der Einwirkung der Zentrifugalkraft einstellen.
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Der Strom der aus der Austrittshülse 92 abgegebenen Luft lässt sich durch ein 2/2-Magnetventil 84 steuern, welches wieder mit einer als Druckluftleitung gezeigten Druckluftquelle 86 verbunden ist.
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Beim Ausführungsbeispiel nach 4 wird ebenfalls eine Zentrifugalkraft verwendet, um einen ankommenden Flüssigkeitsfilm 90 zu vergleichmäßigen.
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Zu ihrer Erzeugung wird ein rohrförmiger Rotor 94 verwendet, dessen Innendurchmesser wieder dem allgemeinen lichten Durchmesser der Verbindungsleitungen entspricht. Der Rotor 94 trägt auf seiner Außenseite Flügel 96, gegen welche über ein Versorgungskanal 98 Druckluft gerichtet wird. Diese treibt den Rotor nach Art einer Luftturbine an.
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Zur Lagerung des Rotors 94 sind Luftlager 100, 102 vorgesehen, die nur schematisch angedeutet sind. Das Luftlager 100 wird über. Verbindungsöffnungen 104 mit Luft versorgt, die mit dem Versorgungskanal 98 in Verbindung stehen. Das Luftlager 102 wird über Versorgungsspeichen 106 mit Druckluft versorgt, welche einen Abluftkanal 118 radial durchsetzen, über den hinter dem Rotor 94 entspannte Luft abgegeben wird.
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Die beiden Luftlager 100, 102 sind rotationssymmetrisch zu verstehen und haben eine Mehrzahl unter gleichem Winkelabstand angeordneter Druckluft-Anschlüsse versorgt.
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Ein Gehäuse 120 der Vergleichmäßigungseinheit 58 hat eine innenliegende Erweiterung 122, deren Abmessungen so gewählt sind, dass der Rotor 94 unter kleinem radialem Spiel drehbar Aufnahme findet, wie bei Druckluftturbinen mit Luftlagerung üblich.
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Durch die oben beschriebene Anpassung der zusammenarbeitenden Dichtflächen von Gehäuse 120 und Rotor 94 ist zugleich gewährleistet, dass keine Flüssigkeit in die Lagerspalte eintritt, da diese unter Gegendruck stehen.
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Eine einlaufseitige Bohrung 124 des Gehäuses 122 sowie eine auslassseitige Bohrung 126 desselben haben gleichen Innendurchmesser wie der Rotor 94, so dass diese drei Teile zusammen einen glatt durchgehenden Fluidkanal bilden.
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In 4 ist die obere Hälfte des Gehäuses 120 weggebrochen. Außerdem sind dort auch Teile des Rotors 94 weggebrochen, um seine Innenfläche zeigen zu können.
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Die Vergleichmäßigungseinheit 58 nach der 5 ähnelt von der Grundgeometrie her denjenigen nach den 2 und 3. Zur Erzeugung einer radial gerichteten Kraft wird ein Hochspannungsgenerator 118 verwendet, dessen Ausgänge mit zwei Elektroden 120 und 122 verbunden sind. Die Elektrode 120 hat im Wesentlichen zylindrische Gestalt und ist auf der Außenfläche des aus isolierendem Material gefertigten Gehäuse 74 aufgebracht. Die Elektrode 122 ist stabförmig und hat die Form eines U, dessen freie Schenkel zusammen mit einer elektrisch isolierenden Umhüllung 124, bei welcher es sich um eine Glasschicht handeln kann, durch die Wand des Gehäuses 74 hindurchgeführt ist. Auf diese Weise ist die im Wesentlichen zylindrische Anordnung aus Elektrode 122 und Ummantelung 124 am Gehäuse 74 festgelegt.
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Ist der Hochspannungsgenerator 118 eingeschaltet, wird zwischen den Elektroden 120 und 122 ein radial gerichtetes elektrisches Feld aufgebaut, durch welches ein ankommender Flüssigkeitsstrom 90 wieder in axialer Richtung und Umfangsrichtung vergleichmäßigt wird. Diese Wechselwirkung wird bei Flüssigkeiten erhalten, die polar sind oder polarisierbar sind.
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Das Schalten des Hochspannungsgenerators 118 erfolgt wieder von einer zentralen Steuereinheit des Bearbeitungszentrums her.
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Die 6 bis 9 zeigen eine mechanisch wirkende Vergleichmäßigungseinheit 58. Diese umfasst eine ebene Stützplatte 126, welche in aufeinanderfolgenden Reihen 128- bis 128-10, die in Strömungsrichtung aufeinanderfolgen, einzelne in transversaler Richtung gleichverteilte Deflektorelemente 130-1, 130-2, 130-3 und 130-4 trägt.
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Die Deflektorelemente 130-i-j aufeinanderfolgender (i = 1 bis 10; j = 1–4) Reihen 128-i sind jeweils um eine halbe Teilung gegeneinander versetzt.
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Jedes der Deflektorelemente 130 hat zwei gleich lange stromaufseitige Seitenflächen 132, 134 und eine in den 6 und 7 nach oben, in 8 nach vorn und in 9 nach unten weisende Deckfläche 136.
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Die Deckfläche 136 fällt von der durch die Durchschneidung der Seitenflächen 132, 134 vorgegebenen Schneide oder Teilkante 138 in Strömungsrichtung ab und liegt bei ihrem stromabseitigen Ende in der oberen Begrenzungsfläche des plattenförmigen Stützelementes 126.
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Durch die so angeordneten Deflektorelemente 130 wird ein von links eintretender Flüssigkeitsstrom so in transversaler Richtung verteilt, dass man beim stromabseitigen Ende der Verteilungseinheit praktisch konstante Stromdichte hat.
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In 10 ist dargestellt, wie man dann, wenn man dem zwischen dem Deflektorelementen mit den Erweiterungen 1 und 2 liegenden Zwischenraum mit der Erweiterung b 100 Prozent eines zu vergleichmäßigenden Flüssigkeitsstromes zuführt, in den Zwischenräumen zwischen den Deflektorelementen der letzten Reihe 128-10 Teilströme erhält, die bis auf wenige Prozent gleich sind.
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Die Vergleichmäßigungseinheit nach den 6 bis 9 kann man auch als ebene Abwicklung einer rohrförmigen Vergleichmäßigungseinheit 58 ansehen, die in den 13 bis 15 sowie 16 bis 18 Verwendung findet. Diese Figuren zeigen kombinierte Vergleichmäßigungs- und Teileinheiten 14, welche gleichermaßen eine rohrförmige Vergleichmäßigungseinheit 58, jedoch unterschiedliche Teileinheiten 60 aufweisen.
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Im Zusammenhang mit den 13 bis 15 sei zunächst darauf hingewiesen, dass dort die Strömungsrichtung des aufzuteilenden Gemisches entgegengesetzt ist wie in den 1 bis 10.
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Teile der Vergleichmäßigungseinheit, welche oben stehend schon unter Bezugnahme auf die 6 bis 9 erläutert wurden, sind wieder mit denselben Bezugszeichen versehen und werden nachstehend nicht nochmals detailliert beschrieben.
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Die stromab der Verteilungseinheit 58 vorgesehene Teileinheit 60 weist beim Ausführungsbeispiel nach den 11 bis 15 eine schräg nach außen und stromab laufende Kollektornut 140 auf, die unter einem Winkel von etwa 10° zur Achse der Vergleichmäßigungseinheit 58 geneigt ist. Beim hier betrachteten Ausführungsbeispiel ist die Umfangserstreckung der Kollektornut 114 etwa 180°, wie aus den 13 und 14 ersichtlich. Die Kollektornut 140 steht mit einem Auslasskanal 142 in Verbindung, der mit einer Leitung 16-2 verbindbar ist, während ein mit der Achse der Vergleichmäßigungseinheit 58 fluchtender zweiter Auslasskanal 144 im Wesentlichen eine lichte Fortsetzung der zylindrischen Stützfläche 126 der Vergleichmäßigungseinheit 58 darstellt und ebenfalls mit einer Leitung 60 verbunden ist.
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Man erkennt, dass das Abgabeende des Auslasskanales 142 vom Abgabeende des Auslasskanales 144 in Ort und Neigung verschieden ist, wodurch die beiden Gemischströme räumlich getrennt sind. Das Ausführungsbeispiel nach den 16 bis 18 ähnelt stark demjenigen nach den 11 bis 15, nur erzeugt die Teileinheit 60 Teilströme gleicher Größe, die mit vier Leitungen 16-1, 16-2, 16-3 und 16-4 verbunden sind.
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Man erkennt, dass der lichte Durchmesser der Leitung 12 etwas größer ist als der lichte Durchmesser der Vergleichmäßigungseinheit 58 (lichter Durchmesser der zylindrischen Stützfläche 126), was das Verteilen des Flüssigkeitsstromes auf die vier Ausgangsleitungen vereinfacht bzw. zu einem kompakteren Aufbau der Teileinheit 60 ermöglicht.
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Die Herstellung von Stützelementen 126, welche Deflektorelemente 130 tragen, lässt sich auch bei rohrförmigen Stützelementen 126 durch NC-gesteuertes Zusammensintern von kleinen Materialpartikeln erhalten, die typischerweise einen Durchmesser von 0,1 mm oder weniger aufweisen. Man kann solche Strukturen auch durch 3D-Drucken erzeugen.
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19 zeigt eine steuerbare Teileinheit 60 mit planarer Grundgeometrie, welche zusammen mit einer ebenfalls planaren Vergleichmäßigungseinheit 58 gemäß den 6 bis 9 verwendet werden kann.
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Eine ebene Stützplatte 146 ist in transversaler Richtung durch Seitenwände 148, 150 begrenzt. An der Stützplatte 146 sind Deflektorlamellen 152-1, 152-2, 152-3 mit ihren in der Zeichnung rechtsgelegen Enden fixiert. Im übrigen sind die Deflektorlamellen 152 unter geringem Spiel über der Oberseite der Stützplatte 146 bewegbar.
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Jede Deflektorlammelle umfast zwei Lagen M1, M2 aus Metallen mit unterschiedlichem Wärmeausdehungskoeffizienten und eine Heizschicht H, die jeweils über einen getrennt einstellbaren Widerstand mit einer Spannungsquelle verbindbar ist (beide nicht gezeigt).
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Durch unterschiedliche Erwärmung (Einstellen des Heizstromes) verformen sich die Bimetall-Deflektorlamellen unterschiedlich, wie gestrichelt angedeutet, wodurch der Flüssigkeitsstrom, der zwischen ihnen einläuft, entsprechend geändert wird.
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In Strömungsrichtung hinter den Deflektorlamellen 152 sind Trichterwände 154-1, 154-2, 154-3 und 154-4 vorgesehen, die die dort ankommende Flüssigkeit in die Ausgangsleitungen 16-1, 16-2, 16-3 bd 16-4 sammeln.
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Alternativ kann man auch durch Piezoaktoren, Elektromotoren oder Druckluftzylinder bewegte und/oder verformte Deflektorelemente vorsehen.
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In den Deflektorelementen nach den 20 bis 25 sind Teile, die obenstehend schon unter Bezugnahme auf andere Deflektorelemente beschrieben wurden, wieder mit denselben Bezugszeichen versehen. Diese brauchen im Einzelnen hier nicht nochmals erläutert zu werden.
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Das Deflektorelement nach den 20 und 21 ist in Aufsicht gesehen rechteckig und hat eine Deckfläche 136, die vom stromaufseitigen zum stromabseitigen Ende hin ansteigt. Am stromabseitigen Ende fällt die Deckfläche 136 abrupt zurück auf die Oberfläche des Stützelementes 126, so dass eine Abreißkante 139 entsteht.
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Die Anordnung von Deflektorelementen 130 auf dem Stützelement 126 kann im Übrigen so erfolgen, wie unter Bezugnahme auf die 8 bis 10 weiter oben erläutert.
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Bei Verwendung eines Stützelementes 126 nach den 20 und 21 wird ein auf ihm ankommender Wandfilm jeweils im transversalen Bereich eines Deflektorelementes 130 auf dessen Deckfläche 136 nach oben getrieben, bis die Flüssigkeit die Abreißkante 139 erreicht. Dort wird sie dann in einzelne Flüssigkeitströpfchen aufgerissen, die von der Transportluft weitergetragen werden.
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Die Effektivität der Zerstäubung und die Tröpfchengröße lassen sich über die Geschwindigkeit des Transportgases und die Geometrie der Deflektorelemente 130, insbesondere die Geometrie der Abreißkante 139 einstellen.
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Die 22 und 23 zeigen Deflektorelemente, die sowohl als Stromteiler als auch als Zerstäuber wirken können. Das Deflektorelement 130 hat in Aufsicht gesehen die Form eines schlanken Dreieckes, wobei dessen Deckfläche in einem vorgegebenen Abstand über der Oberfläche der Stützplatte 126 beginnt und sich dann in Strömungsrichtung verbreitert und ansteigt, bis sie die Abreißkante 139 erreicht.
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Kommen bei einem Deflektorelement 130 gemäß den 22 und 23 dünne Flüssigkeitsschichten an, so werden diese geteilt, wie weiter oben beschrieben. Kommen dicke Flüssigkeitsschichten oder große Tropfen bei dem Deflektorelement 130 an, so läuft ein Teil der ankommenden Flüssigkeit auf der Deckfläche 136 nach oben und wird bei der Abreißkante 139 dann zerstäubt.
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Über die Höhe der Stufe, welche bei der Schneide 138 liegt, lässt sich das Verhältnis zwischen zerstäubter Flüssigkeit und geteilter Flüssigkeit einstellen.
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In weiterer Abwandlung kann man die Schneide 138 auch mit nur sehr kleiner Höhe oder verschwindender Höhe wählen und die Seitenflächen 132, 134 des Deflektorelementes schrägstellen, so dass dort Flüssigkeit auf die Deckfläche 136 gelangen kann.
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Man kann auch die Schneide 138 abplatten.
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Über die Geometrie des Deflektorelementes 130 und die Strömungsgeschwindigkeit des Transportgases lässt sich beim Ausführungsbeispiel nach den 22 und 23 einstellen, welcher Anteil der ankommenden Flüssigkeit zerstäubt wird.
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Die 24 und 25 zeigen ein Deflektorelement 130, welches nicht über die Oberfläche des Stützelementes 126 übersteht. Das dort gezeigte Deflektorelement 130 ist dadurch wirksam, dass es Schmiermittel abweisendes Material umfasst, z. B. lipophobes Material. Man kann das Deflektorelement 130 auf dem Stützelement 126 durch Aufdrucken eines lipophoben Druckfilmes herstellen, während die sonstige Oberfläche des Stützelementes 126 durch das Schmiermittel benetzbar ist.
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Entsprechende Oberflächeneigenschaft kann man auch durch mechanische Behandlungen wie Polieren oder Sandstrahlen, physikalische Behandlungen wie Spatern oder Erodieren oder chemische Behandlungen wie Ätzen bewerkstelligen.
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Den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, dass ein Aufteilen eines zunächst räumlich konzentrierten Flüssigkeitsstromes auf Teilströme gleicher Größe bzw. fester unterschiedlicher Anteile erhalten wird, indem zunächst der räumlich konzentrierte Flüssigkeitsstrom breit gedrückt wird und die so erhaltene im Wesentlichen planparallele Flüssigkeitsschicht in transversaler Richtung geteilt wird.
