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Vorrichtung zum Versprühen von Flüssigkeiten
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, insbesondere eine Aerosoldose
zum Versprühen von unter dem Druck eines Treibgase stehenden Flüssigkeiten, wobei
ein in die Flüssigkeit eintauchendes Steigrohr an seinem oberen Ende -an ein Ausströmventil
angeschlossen ist.
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Derartige Sprühdosen können mit den unterschiedlichsten Wirkstofflösungen
gefüllt werden, beispielsweise mit Lacken, Desodorantien, Parfüms, Schädlingsbekämpfungsmitteln,
Raumluftverbesserer, Arzneimittel, öbelpolitur, Feuerlöscher, Schmiermittel. Sprühdosen
werden daher in großen Stückzahlen für die unterschiedlichsten
Anwendungsfälle
benötigt.
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Das Versprühen erfolgt mittels eines unter Druck stehenden Treibgases,
wobei es zur Erzielung einer ausreichend feinen Zerstäubung notwendig ist, daß ein
Teil des Treibgases mit der zu versprühenden Flüssigkeit in Lösung geht. Wird das
Ausströmventil geöffnet, so wird das Wirkstoff-Treibgasgemisch durch den Druck des
Treibgases auf den Flüssigkeitsspiegel durch das Steigrohr hindurch nach oben gedrückt
und verläßt die Dose durch das Ventil. Das in der Flüssigkeit gelöste Treibgas verdampft
sofort; dabei zerstäubt die Blüssigkeit zu feinstem Nebel oder bildet feinblasigen
Schaum.
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Als Treibgas werden vorwiegend fluorierte Kohlenwasserstoffverbindungen
benützt. Andere Treibgase, die wie insbesondere Kohlendioxid wesentlich preisgnstiger
sind und keine schädlichen Zersetzungsprodukte bilden können, haben den Nachteil,
daß sie nur bei sehr hohen Drücken in ausreichendem 1maße mit Flüssigkeit in Lösung
gehen und bei mit dem Verbrauch nachlassendem Druck keine feine Zerstäubung mehr
bewirken.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine Sprühvorrichtung
zu entwickeln, die auch bei Treibgasen geringerer Löslichkeit eine feine Zerstäubung
der Wirkstoffflüssigkeit sicherstellen. Die erfindungsgemäße Sprühvorrichtung soll
sich weiterhin durch einfachen und kostengnstigen Aufbau auszeichnen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Treibgas
in direkter Verbindung mit dem inneren des Steigrohres steht und dzB der Leitungsquerschnitt
des
Ausströmventils so bemessen ist, daß die Abströmgeschwindigkeit des Zweiphasen-Gemisches
gleich der charakteristischen Schallgeschwindigkeit dieses Gemisches ist und es
beim Austritt aus dem Ventil eine sprunghafte Druckerniedrigung erfährt.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei einer mit der Schallgeschwindigkeit
des Gemisches identischen hbströmgeschwindigkeit beim Ausströmen in die Atmosphäre
eine sprunghafte Vruckverringerung erzeugt werden kann, die eine sehr feine Zerstäubung
bewirkt.
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Die Erfindung macht sich außerdem die Tatsache zunutze, daß die Schallgeschwindigkeit
eines Zweiphasen-Gemisches nur ein Bruchteil der Schallgeschwindigkeit der beiden
reinen Romponenten ist. während beispielsweise die Schallgeschwindigkeit unter ormalbedingungen
bei reinem Çvasser etwa 1500 m/s und die von Kohlendioxid etwa 260 m/s beträgt,
liegt die Schallgeschwindigkeit der 2mischung bei nur 20 bis 30 m/s, wenn man einen
Gasvolumenanteil zwischen 30 und 8 U zugrunde legt.
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Dadurch kann sowohl die Wirkstofflösung wie auch das 'Treibgas mit
niedriger Geschwindigkeit der Düse zugeführt werden, so daß die jeweiligen Reibungs-
und Beschleunigungsdruckverluste gering bleiben. Insbesondere kann hierdurch der
bisher übliche Fülldruck für das Treibgas von etwa 6 bis 8 bar beibehalten werden.
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Bei der Bemessung des Düsenquerschnittes darf allerdings nicht dieser
Fülldruck zugrunde gelegt werden, sondern der Enddruck des Treibgases, der sich
einstellt,
wenn die Füllflüssigkeit ihrem Ende zugeht. Dieser beträgt
im allgemeinen etwa 2 bar und muß noch ausreichen, um die Zweiphasen-I;ischung mit
Schallgeschwindigkeit ausströmen zu lassen. Der höhere Anfangsdruck des Treibgases
vermag die Ausströmgeschwindigkeit des Gemisches nicht über die charakteristische
Schallgeschwindigkeit hinaus zu erhöhen; dies wäre nur durch eine Laval-Düse möglich.
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Die direkte Verbindung zwischen dem Treibgas und der Steigleitung
kann entweder durch Querbohrungen der Steigleitung in Höhe des Gasraumes oder durch
eine zusätzliche Leitung in das untere Ende des Steigrohres herbeigeführt werden.
Im letztgenannten Fall weist diese zusätzliche Leitung zweckmäßigerweise einen geringeren
Querschnitt auf als das untere Ende des Steigrohres und läuft koaxial von unten
in dieses hinein.
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Dadurch ergibt sich eine ähnliche Geometrie wie bei einer Mammutpumpe,
d. h., das in das Steigrohr einströmende Treibgas reißt die benachbarten Plüssigkeitsteilchen
mit, so daß man eine starke Flüssigkeitsförderung und eine innige Durchmischung
beider Phasen erzielt. Damit sich die zum Steigrohr führende Gasleitung nicht nach
jedem Sprühvorgang mit Flüssigkeit füllen kann, empfiehlt es sich, an ihrem unteren
Ende ein Hückschlagventil einzubauen.
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Schließlich bietet die erfindungsgemäße Konstruktion auch die lLöglichkeit,
das Treibgas in Form einer austauschbaren Kohlendioxid-Patrone an die Aerosoldose
anzuschließen. Die Sprühdose ist dadurch kein Wegwerfartikel mehr, sondern kannleventuell
über die Anschlußöffnung für die Eatronelneu neu mit dem gewünschten Wirkstoff gefüllt
werden. Für den Anschlup der Patrone
kommen an sich bekannte Befestigungsvorrichtungen
in Betracht, wie sie beispielsweise bei Siphons verwendet werden.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung verschiedener Ausführungsbeispiele anhand von Zeichnungen; es zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Sprühdose; Fig. 2 einen Längsschnitt
einer Ausführungsvariante und Fig. 3 einen Längsschnitt einer Sprühdose mit Rohlendioxidpatrone.
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Die erfindungsgemäße Sprühvorrichtung besteht aus einem an sich bekannten
zylindrischen Dosenkörper 1, der an seinem oberen Ende durch ein Ausströmventil
2 verschlossen ist. Die Dose ist etwa zu drei Vierteln mit der zu versprühenden
Flüssigkeit 3 gefüllt. Oberhalb des Flüssigkeitsspiegels befindet sich der Treibgasvorrat
4, der unter einem Anfangsdruck von etwa 6 bis 8 bar steht. Die Verbindung zwischen
dem Ausströmventil 2 und der Flüssigkeit 3 ist durch eine Steigleitung 5 gegeben,
die sich praktisch bis zum Dosenboden erstreckt. An ihrem oberen Ende mündet die
Steigleitung in eine iischkammer 6, die der Ausströmleitung 2a des Ventils 2 vorgeschaltet
ist. Über eine oder mehrere bohrungen 7 steht das innere der j:iischkammer 6 mit
dem Treibgasvorrat 4 in Verbindung.
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Die Funktion ist folgende: Wird das Ausströmventil 2 durch Dliederdrücken
geöffnet, so dringt das Treibgas durch die Bohrungen 7 in die Mischkammer 6 ein.
Zugleich
drückt der auf dem Plüssigkeitsspiegel lastende Treibgasdruck
Flüssigkeit durch die Steigleitung 5 nach oben in die kischkammer. Der Gesamtquerschnitt
der (.uerbohrungen 7 ist so auf den Querschnitt der Steigleitung 5 abgestimmt, daß
sich in der liischkammer ein gasförmiger Treibmittelanteil zwischen 30 und r0 Volumenprozent
einstellt. Dieses Gemisch strömt über die Leitung 2a zum Ausströmquerschnitt 2b.
Er ist so bemessen9 daß die Strömung mit der charakteristischen Schallgeschwindigkeit
austritt, und zwar auch dann noch, wenn der Druck des Treibgases auf seinen kurz
vor Ausgebrauch der Dose sich einstellenden Endwert von etwa 2 bar gesunken ist.
Durch die sprunghafte Druckerniedrigung beim Ausströmen in die Atmosphäre wird die
Flüssigkeit zerstäubt.
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Die dargestellte Ventilkonstruktion ist lediglich als Beispiel zu
verstehen. Stattdessen können auch beliebige andere Ventilkonstruktionen verwendet
werden.
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Auch ist es möglich, auf die Nischkammer 6 zu verzichten, indem die
Querbohrungen 7 unmittelbar in der Steigleitung 5 angebracht werden.
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Bei der Ausführungsvariante gemäß Fig. 2 wird das Treibgas einer Steigleitung
8 an dessen unterem Ende zugeführt. Dies geschieht mittels einer SJ-förmigen Verbindungsleitung
9, die mit ihrem oberen Ende in den Gass-peicher 4, mit ihrem unteren Ende in die
Steigleitung 8 mündet. Sie weist einen geringeren Querschnitt als die Steigleitung
auf und kann ein Stück in diese hineinragen. Es ist jedoch auch möglich, die Verbindungsleitung
9 unterhalb des Steigrohres enden zu lassen. In beiden Fällen übt beim Cffnen des
Ausströmventiles 2 die Gasströmung eine Saugwirkung auf die
benachbarten
Flüssigkeitsteilchen aus und reißt diese durch das Steigrohr 8 nach oben. I*an erhält
dadurch die gewünschte Vermischung zwischen der flüssigen und der Gasphase, wobei
sich der angestrebte Gasvolumenanteil durch die Strömungsquerschnitte der Verbindungsleitung
und des Steigrohres sowie durch deren geometrische Zuordnung zueinander einstellen
läßt. Die Vermischung erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel innerhalb des Steigrohres
8 anstelle der separaten ischkammer 6 in Fig. 1.
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Damit bei der nachfolgenden Betätigung des Ventils die Zerstäubüng
sofort einsetzt, muß verhindert werden, daß sich die Verbindungsleitung während
der Benutzungspausen mit Flüssigkeit füllt. Hierzu ist ihr unteres Ende durch ein
Rückschlagventil 10 verschlossen.
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Bei dem dritten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 weist die Aerosoldose
11 an ihrem Boden einen Anschluß für eine austauschbare otllendioxidpatrone 12 auf.
Sie kann dadurch für zahlreiche Füllungen wiederverwendet werden. Die Issigkeit
wird entweder über den Anschluß der Patrone 12 oder über eine andere Öffnung zugegeben.
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Die Patrone. 12 sitzt unmittelbar unter dem Steigrohr 8, so daß die
Verbindungsleitung 9 entfällt. An der Anschlußstelle der Patrone ist ein Ventil
17 angebracht, Durch Betätigung des Ventils 2 wird gleichzeitig das Ventil 13 geöffnet.
Selbstverständlich ist es aber auch möglich, das obere Ende der in Fig. 2 dargestellten
Verbindungsleitung 9 mit einem von außen zugänglichen Anschluß für eine Patrone
zu versehen, sodaß entweder mit dem Treibgasvorrat 4 oder durch die an die Verbindungsleitung
9 angeschlossene Patrone gearbeitet werden kann. Gleichermaßen besteht die föglichkeit,
die Patrone 12 in den Treibgasvnrrat 4 münden zu lassen und dabei eine Konstruktion
wie in Fig. 1 oder 2 zu verwenden.
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Das erfindungsgemäße Prinzip ist selbstverständlich nicht auf die
zeichnerisch dargestellte Dosenform beschränkt, sondern kann bei beliebigen Sprühvorrichtungen
verwendet werden.
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Zusammenfassend besteht der Vorteil der Erfindung darin, daß man aufgrund
der Schallgeschwindigkeitsströmung beim Austritt aus der Düse eine sprunghafte Druckerniedrigung
herbeiführen kann, die eine intensive Zerstäubung bzw. Zerteilung bewikt. Man ist
dadurch nicht mehr auf Treibgase angewiesen, die sich durch hohe Löslichkeit in
der Wirkstofflüssigkeit auszeichnen, sondern kann wesentlich preisgünstigere und
auch weniger umweltgefähiende Treibgase, insbesonder Kohlendioxid, verwenden. Zugleich
eröffnet sich hierdurch die ,.öglichkeit, wiederverwendbare Sprühdosen herzustellen,
die durch bereits handelsübliche Rohlendioxidpatronen versorgt werden.