DE2815085A1 - Vorrichtung zur erzeugung stabiler luftwirbel - Google Patents
Vorrichtung zur erzeugung stabiler luftwirbelInfo
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Description
Die Erfindung beschäftigt sich mit der Erzeugung von Wirbeln in strömungsfähigem Medium, und zwar
insbesondere mit einem verbesserten Gerät zur Erzeugung eines Wirbels, das als Atomisiergerät
und/oder als Schallenergiewandler verwendet werden kann.
Es gibt Schallenergiewandler, bei denen Schallwellen durch Beschleunigen eines Gases auf supersonische
(überschall-)Geschwindigkeit in einer Düse erzeugt werden. Um einen Überschallstrom zu
erzeugen, war es bisher nötig, einen großen Druckabfall vom Einlaß zum Auslaß der Düse aufzubauen.
Um hinreichend hohe Energiepegel für eine wirksame Atomisierung und für andere Zwecke zu erzeugen,
haben bekannte Schallenergiewandler einen Resonator jenseits des Auslasses der Oberschalldüse
verwendet, beispielsweise wie in der US-Patentschrift 3 230 924 beschrieben ist, oder es wurde eine Kugel
im divergierenden Abschnitt der überschalldüse benutzt
(US-Patentschrift 3 806 029).
Mit Hilfe einer stabilen wirksamen Wirbelerzeugung wird nun erfindungsgemäß ein Überschallstrom und
höherer Energiepegel mit niedrigerem Druckabfall als bei bekannten, mit überschaildüsen arbeitenden Geräten
erzeugt. Resonatoren oder Kugeln sind nicht erforderlich, um erfindungsgemäß hohe Energiepegel zu erzeugen,
obgleich sie mit Vorteil zur Erhöhung des Energetisierpegels unter gewissen Umständen verwendet
werden können.
Erfindungsgemäß wird zwischen einem Einlaß und einem
Auslaß ein Strömungskanal gebildet, der sich in ein Gebiet von Umgebungsdruck öffnet. Eine Gasquelle mit
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einem höheren als umgebungsdruck ist mit dem Einlaß verbunden und induziert eine Gasbewegung durch den
Strömungskanal längs einer Durchflußachse. Eine Rotationsbewegung
um die Durchflußachse wird dem Gas im Durchflußkanal aufgeprägt, '■ wahrere tornadoartige
Wirbel in einem rotieiei^ a Ring um die Strömungsachse zu erzeugen. Mehrere Wirbel v/erden zu einem einzigen
Wirbel kombiniert, der um die Durchflußachse rotiert und in dem Durchflußkanal auf Überschallgeschwindigkeit
beschleunigt wird. Es ergibt sich eine dreidimensional ausbreitende Schallenergie, die aus dem
Auslaß in das Gebiet mit umgebungsdruck abgegeben wird.
Ein Merkmal der Erfindung besteht in der Verwendung eines inneren Wirbelkörpers etv/a in der Form eines
Kegelstumpfes oder einer ebenen Scheibe, um dem Gas die Rotationsbet'/egung in dem Durchflußkanal aufzuprägen.
Der Wirbelkörper ist in dem Durchflußkanal· zwischen Einlaß und Auslaß angeordnet. Eine Verengung ist
auf der Abstromseite des Wirbelkörpers in dem Durchflußkanal ausgebildet. Vorzugsweise verläuft der Einlaß
quer zur Durchflußachse und kann so angeordnet sein, daß der Boden und ein Kantenabschnitt des Wirbelkörpers
nur dem Einlaß direkt ausgesetzt sind.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht in der Verwendung einer Stange,, die sich längs des Durchflußkanais
erstreckt, um dem Gas Rotationsbewegung aufzuprägen und den Wirbel-erzeugenden Vorgang zu stabilisieren.
Außerdem kann die Stange als Träger des Kegelstumpfes sowie zur Flüssigkeitszufuhr in der Verengung
zur Atomisierung dienen. In einer Ausführungsform
erstreckt sich ein Ende der Stange über den Auslaß hinaus und ist mit einer Kugel verbunden.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht in einem äußeren Wirbelkörper, der am Auslaß eines Durchflußkanals
angeordnet ist, welcher einen Wirbel in dem durchströmenden Medium erzeugt. Der Wirbelkörper
liegt außerhalb des Kanals und unterbricht und verstärkt die Aktivierung des wirbelnd durch den
Kanal strömenden Mediums, indem eine stehende Stoßwelle gebildet wird, die als Reflektor für die Schallenergie
in dem aus dem Auslaß des Kanals ausströmenden Medium dient.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht in einem am Auslaß eines Durchflußkanals angeordneten Resonator,
der einen Wirbel in dem durch ihn durchfließenden Medium erzeugt. Der Resonator liegt außerhalb des Kanals
und schneidet den wirbelnd durch den Kanal strömenden Mediumstrom. Der Resonator verstärkt die Aktivierung
des wirbelnd strömenden Mediums. Ein äußerer Wirbelkörper liegt zwischen dem Auslaß und dem Resonator.
Der Resonator erzeugt starke Schallwellen, die eine starke Atomisierung erzeugen können.
Nachfolgend v/erden die Merkmale spezieller Ausführungsformen der Erfindung im einzelnen unter Bezugnahme auf
die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer mit den Merkmalen
der Erfindung ausgestatteten Wirbel-erzeugenden Vorrichtung;
Fig. 2 eine vordere Draufsicht auf die Stirnseite der Vorrichtung nach
Fig. 1;
Fig. 3 ein schematisches Diagramm zur Erläuterung der gerichteten Gasströmung
in der Wirbel-erzeugenden Vorrichtung gemäß Fig. 1;
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Gasströmung in der Vorrichtung aus
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Fig. 1 in einer gegenüber der Darstellung der Fig. 3 unter einem Winkel
von 90° liegenden Ebene;
Fig. 5 eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer mit
den Merkmalen der Erfindung ausgestatteten Wirbel-erzeugenden Vorrichtung
;
Fig. 6 eine schematische Darstellung der Gasströmung
in einer erfindungsgemäßen Wirbel-erzeugenden Vorrichtung;
Fig. 7 eine aufstromseitige Stirnansicht der Gasströmung in einer erfindungsgemässen
Vorrichtung;
Fig. 8 eine schematische Seitenansicht einer Veränderung des Rings gemäß Fig. 5;
Fig. 9 eine schematische Seitenansicht einer abgewandelten Scheibe aus Fig. 5;
Fig. 10 eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Wirbel-erzeugenden Vorrichtung;
Fig. 11 ein schematisches Diagramm einer Wirbelerzeugenden
Vorrichtung mit einem äußeren Wirbelkörper gemäß der Erfindung;
Fig. 12 ein schematisches Diagramm einer Abwandlung des äußeren Wirbelkörpers aus Fig.
11;
Fig. 13 ein schematisches Diagramm einer weiteren
Abwandlung des äußeren Wirbelkörpers aus Fig. 11;
Fig. 14 ein schematisches Diagramm eines Ersatzes für einen äußeren Wirbelkörper aus Fig. 11;
Fig. 15 eine schematische Darstellung, einer weiteren
Ausführungsform eines äußeren Wirbelkörpers ;
Fig. 16 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines äußeren Wirbelkörpers
;
Fig. 17 eine schematische Darstellung einer Wirbelerzeugenden
Vorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Resonator; und
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Fig. 18 eine schematische Darstellung eines abgeänderten Resonators
gemäß Fig. 17.
Gemäß Fig. 1 besitzt ein zylindrischer Wandlerkörper
10 eine zylindrische Achse 11. Eine Zylinderbohrung ist in einem Ende des Körpers 10 in Ausrichtung auf
die Achse 11 ausgebildet. Eine Düse 13 ist in einer Gegenbohrung am offenen Ende der Bohrung 12 mit Gewinde
14 eingeschraubt. Neben der Bohrung 12 besitzt die Düse 13 einen Zylinderabschnitt 15 mit kleinerer
Querschnittsfläche als die Bohrung 12. Ein divergierender
Abschnitt 16 verbindet Abschnitt 15 mit einem
Auslaß 17 des Wandlers, der sich in ein Gebiet von Umgebungsdruck öffnet. Der Zylinderabschnitt 15 und
der divergierende Abschnitt 16 sind auf die Achse 11
ausgerichtet.
Eine in der Seite des Körpers 10 ausgebildete zylindrische
Bohrung 20 trifft die Bohrung 12. Bohrung 20 besitzt eine zylindrische Achse 21, die die Achse
11 rechtwinklig schneidet. Ein Zylinderrohr 22 sitzt
in der Bohrung 20, in welcher es beispielsweise durch Verschweißen o. dgl. gesichert ist. Die Innenseite des
Rohres 22 dient als Einlaß 23 für den Wandler. Eine Gasquelle 24 ist mit dem Einlaß 23 verbunden. Das Gas
von der Quelle 24 steht unter einem höheren Druck als
Umgebungsdruck in dem Bereich, in welchem der Auslaß 17 öffnet. Eine hohle Stange 30 erstreckt sich durch
den Körper 10 und die Bohrung 12 und die Düse 13 in
Ausrichtung auf die Achse 1], Zur Halterung und Verbindung
einer Flüssigkeitsquelle 31 paßt die Stange 30 in eine Bohrung zwischen Bohrung 12 und dem der Düse 13
gegenüberliegenden Ende des Körpers 10. Ein Konus ist auf der Stange 30 zwischen Einlaß 23 und Düse 13
befestigt. Der kegelförmige Konus 32 besitzt einen von der Düse 13 wegweisenden, d. h. zur AufStromseite weisenden
Boden und einen zulaufenden Stumpf, der zur Abstromseite,
d. h. zur Düse 13 hinweist. Gemäß Fig. 1
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ist der Konus 32 axial so positioniert, daß sein Eoden und ein Teil von ihm direkt dem Einlaß 23
ausgesetzt sind, d.h. in einer direkten Linie einer Gasströmung durch den Einlaß 23 in die Bohrung
12. Mehrere, beispielsweise vi. Flüssigkeitsauslaßöffnungen 33 sind in de _ange 30 im zylindrischen
Abschnitt 15 ausgebildet. Ein Ende der Stange 30 erstreckt sich über den Auslaß 17 hinaus, wo
eine Kugel 34 auf ihr befestigt ist.
Im Betrieb wird der Strom des Gases aus der Quelle 24 durch das Einlaßrohr 22 durch die Stange 30 unterbrochen
und trifft nur auf einen Teil des Konus 32 quer zur Achse 11. Bohrung 12, zylindrischer Abschnitt
15 und divergierender Abschnitt 16 bilden
einen Durchflußkanal zwischen Einlaßrohr 22 und Auslaß 17. Die Düse 13 mit zylindrischem Abschnitt 15
und divergierendem Abschnitt 16 bildet eine Einschnürung
in diesem Durchflußkanal, und die Achse 11 dient als gemeinsame Strömungsachse längs der und
um welche das Gas aus der Quelle 24 zum Auslaß 17 strömt. Der Konus 32 und in geringerem Ausmaß die
Stange 30 prägen dem Gas eine rotatorische Bewegung um die Achse 11 auf, wie Fig. 3 und 4 erläutern. Folglich
strömt ein stabiler Gasv/irbel durch den Strömungskanal von links nach rechts bei der in Fig. 1 gewählten
Darstellungsweise. Die Hotationsrichtung ist dann auch i»H Gegensinn des Uhrzeigers, wenn man in Fig.
von. links nach rechts sieht, und die Achse liegt parallel zur Strömungsrichtung, d. h. parallel zur
Achse 11. Dieser Wirbel erzeugt am Einlaß des Zylinderabsciinittes
15 einen unters tinosphärischen Druck (unterdruck)
, der mit dem Überdruck der Quelle 24 in Beziehung steht, d. h. je höher der überdruck der Quelle
24 ist, desto niedriger ist der absolute Druck am Zylinderabschnitt
15, da absoluter Druck Null erreicht wird. Die Abnahme im absoluten Druck am zylindrischen
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Abschnitt 15 mit zunehmeridem Überdruck der Quelle 24
ist etwa linear über einen großen Bereich. Da der Überdruck der Quelle 24 über diesen Bereich angehoben
wird, d. h. bei ungefähr 80 psig liegt, nimmt der Unterdruck am Zylinderabschnitt 15 ab und fällt
dann geringfügig.
Der Wirbel erzeugt durch
Rotation starke Zentrifugalkräfte und ein Atomisiereffekt nicht unähnlich dem von einer Zentrifuge erzeugten
wird erreicht. Der Wirbel erzeugt den Unterdruck am Zylinderabschnitt 15; wenn der überdruck
der Quelle 24 weiter ansteigt, rotiert der Wirbel stärker und der absolute Unterdruck an der Mitte
des Wirbels fällt ab, und die sich ergebende Energie baut sich in einer turbinenartigen Weise auf. Für
jeden Wert des Gasquellendruckes gibt es einen Nullpunkt des minimalen Unterdrucks längs Achse 11.
Dieser V/irbel erzeugt einen ausreichenden Druckabfall,
um das kritische Druckverhältnis für eine Überschallströmung zwischen Quelle 35 und Zylinderabschnitt
mit einem sehr viel niedrigeren Gasquellendruck als bisher üblich aufzubauen und zu überschreiten. Die
Gasströmung durch die Düse 13 wird daher auf Überschallgeschwindigkeit
beschleunigt und rotiert um die gemeinsame Strömungsachse. Es ergibt sich eine dreidimensionale
Schallwelle jenseits des Auslasses 17. Die Kugel 34 erzeugt eine stehende Stoßwelle, die
mit der Schallwelle in Wechselwirkung tritt und die sich ergebende Schallenergie erhöht. Jedoch liegt diese
Schallenergie nicht im hörbaren Bereich. Die Inten-
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sität der Schallenergie wird durch Erwärmen, Mischen, Überlagerung der ziemlich niedrigen Frequenz der Rotationskomponente
der Gasbewegung, d. h. des Gaswirbelstromes um die gemeinsame Achse, mit der ziemlich
hohen Frequenz der transfertorischen Komponente der Gasbewegung, d. h. der Gasbewegung in Richtung
der gemeinsamen Strömungsachse, erhöht. Die niederfrequente Komponente kann durch Erhöhen des Durchmessers des Konus 32 reduziert werden. Dies erhöht die sich ergebende Anzahl von Stoßfrequenzen.
der gemeinsamen Strömungsachse, erhöht. Die niederfrequente Komponente kann durch Erhöhen des Durchmessers des Konus 32 reduziert werden. Dies erhöht die sich ergebende Anzahl von Stoßfrequenzen.
Der Zylinderabschnitt 15 liefert eine vorteilhafte
Stelle für die Einführung einer zu atomisierenden
oder zu zerstäubenden Flüssigkeit, wie etwa Benzin, Farbe, chemische Sprays etc., und zwar wegen des
durch dan Gaswirbel dort erzeugten Unterdrucks. Eine derartige Stelle der Flüssigkeitseinspeisung erzeugt eine Pumpwirkung auf die Quelle 31 aufgrund des Unterdruckes, der Flüssigkeit in den Gasstrom durch die
Löcher 33 hereinzieht und die Flüssigkeit wirksam
atomisiert und/oder zerstäubt und/oder verdampft. Die Stelle der Einspeisöffnungen im Abschnitt 15, an der Unterdruck erzeugt wird, fördert ferner eine kavitationsartige Wirkung oder blasenbildende Wirkung der Flüssigkeit, die die Zerstäubung und Atomisierung durch Verkochen der Flüssigkeit weiter verbessert.
Stelle für die Einführung einer zu atomisierenden
oder zu zerstäubenden Flüssigkeit, wie etwa Benzin, Farbe, chemische Sprays etc., und zwar wegen des
durch dan Gaswirbel dort erzeugten Unterdrucks. Eine derartige Stelle der Flüssigkeitseinspeisung erzeugt eine Pumpwirkung auf die Quelle 31 aufgrund des Unterdruckes, der Flüssigkeit in den Gasstrom durch die
Löcher 33 hereinzieht und die Flüssigkeit wirksam
atomisiert und/oder zerstäubt und/oder verdampft. Die Stelle der Einspeisöffnungen im Abschnitt 15, an der Unterdruck erzeugt wird, fördert ferner eine kavitationsartige Wirkung oder blasenbildende Wirkung der Flüssigkeit, die die Zerstäubung und Atomisierung durch Verkochen der Flüssigkeit weiter verbessert.
Die Stange 30 dient mehreren Zwecken. Zunächst dient sie als zugausübendes Bauteil bei der Bildung des Gaswirbels.
Sodann erhöht sie die Energiedichte im Strömungskanal durch Reduzierung der Querschnittsfläche. Zum dritten
bewegt sie die Masse der Gaspartikel, die durch den Durchflußkanal längs seines Umfanges strömen, um die
Grenzschicht zu stabilisieren und einen konzentrischen Stoß zu erzeugen. Viertens fokussiert sie das wirbelnd
strömende Gas in die Verengung und dient als Führung für ihren Weiterlauf zum Ende der Stange. Zum fünften
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ist zu erwähnen, daß sie als Leitung zur Führung der Flüssigkeit zum Zylinderabschnitt 15 dient.
Sechstens schließlich trägt sie den Konus 32 in die Kugel 34. Die Eigenschaften des Wandlers
können durch Ersetzen der Stange 30 durch eine neue Stange mit unterschiedlichem Durchmesser
verändert werden. Jedoch beträgt die Querschnittsfläche der Stange 30 zweckmäßig vorteilhafterweise
zwischen 10% und 20 % der minimalen Querschnittsfläche der Einschnürung, d.h. der Querschnittsfläche des zylindrischen Abschnittes 15. Wenn die
Querschnittsfläche der Stange 30 viel kleiner als 10 % ist oder 50 % der minimalen Querschnittsfläche
der Einschnürung, d. h. der Fläche der Einschnürung ohne Stange, überschreitet, wird die
Arbeitsweise der Vorrichtung beeinträchtigt, so daß die mitgeteilten Grenzwerte daher nicht überschritten
werden sollten.
Der Konus 32 dient als Zugteil zur Ausbildung des Gaswirbels längs der Stange 30. Die Drehbewegung
dieses Gaswirbels stabilisiert die Grenzschichten innerhalb des Durchflußkanals und fördert dadurch
eine effizientere Beschleunigung auf Überschallgeschwindigkeit. Die Eigenschaften des Wandlers können
auch dadurch geändert werden, daß der Konus 32 durch einen Konus mit anderem Basisdurchmesser und/oder
halbem Winkel ersetzt wird.
Der am zylindrischen Abschnitt 15 erzeugte Unterdruck
hängt von dem Raum zwischen dem Konus 32 und dem Einlaß des Zylinderabschpittes 15 ab. Im einzelnen
ist su sagen, daß daxin f wenn der Konus 32 näher
auf den Einlaß des Zylinderabschnittes 15 zu kommt, der Unterdruck zunimmt. Dies fördert die Zerstäubung
und die Atomisierung aufgrund Kavitationsbildung für
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sehr kleine "wirksame Mündungsflächen der Vorrichtung.
Für kleine Druckabfälle und/oder Durchflußraten bleibt die Atomisierwirkung gut wegen der erhöhten
Energiedichte an der Ringmündung aufgrund der Zunahme der Winkeigeschwir--' '-jkeit, die sich aus
der Erhaltung des Drehmome * ergibt. Beispielsweise
findet gute Atomisierung bei einem Quellendruck von nur 1 psig und einer Durchflußrate von nur 2
Kubikfuß pro Stunde statt=
Der von dem Konus 32 ausgeübte Zug erhöht sich, wenn der Einlaßgasstrom auf den Konus 32 unter einem Winkel
von 90° zu seiner Achse statt parallel zur Achse gerichtet wird. Das Vorstehen der Basis des Konus 32
in den Weg des Einlasses 23 schafft eine größere öffnung auf dem unteren Drittel des Umfangs des Konus
32 als bei den restlichen zwei Dritteln. Die sich ergebende Differenz im Strömungswiderstand fördert die
Rotationsbewegung des Gases. Somit kann der Konus 32 ein wirksames dynamisches Widerstandseiement bilden,
da es den statischen Druck des Gases im Einlaß 23 in Rotationsbewegung in der Bohrung 12 umsetzt. Das untere
Drittel der Basis des Konus 32 wirkt ebenfalls als Messerkante in dem Gasstrom, der in die Bohrung 12 aus dem
Einlaß 23 eintritt, wodurch weiter die Gaswirbelbildung und die Schallenergieproduktion erhöht und verbessert
werden=
Die Kugel 34 dient ebenfalls als Widerstandsbauteil und als ein Stoßreflektor für die Schallwellen, die aus dem
Auslaß 17 austreten. Anders als die Kugel in der Düse gemäß US-Patent 3 3Ö6 029 ist die Stellung der Kugel
jenseits des Auslasses 17 nicht kritisch. In vielen Anwendungsfällen kann auf die Kugel 34 vollständig verzichtet
werdan, ohne daß der Schailenergiepegei nachteilig
beeinflußt werden würde.
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In einem typischen Ausführungsbeispiel kann die Vorrichtung gemäß Fig. 1 und 2 die folgenden Abmessungen
haben: Durchmesser des Einlasses 23: 0,312 Zoll; Durchmesser der Bohrung 12: 0,312 Zoll;
Länge der Bohrung 12: 0,312 Zoll; Durchmesser des Abschnittes 15: 0,200 Zoll; Länge des Abschnittes
15: 0,162 Zoll; Durchmesser des Abschnittes 16
am Auslaß 17: 0,295 Zoll; Halbwinkel des Abschnittes 15: 15° zur Achse 11; Länge des Abschnittes 16:
0,166 Zoll; Durchmesser der Stange 30: 0,93 Zoll; Basis des Konus 32: 0,200 Zoll; Halbwinkel des
Konus 32: 34,6°; Länge des Konus 32: 0,069 Zoll; Durchmesser der Kugel 34: 0,187 5 Zoll; Abstand
vom Auslaß 17 zur Mitte der Kugel 34: 0,100 Zoll; Abstand von der Basis des Konus 32 zur Innenfläche
des Rohres 22 längs an der Linie parallel zur Achse 11: 0,020 Zoll.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5, bei der die gleichen
Bezugszeichen gleiche Bauteile wie bei der im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Vorrichtung bezeichnen,
finden sich manche der Bauteile aus der Wirbel-erzeugenden Vorrichtung gemäß Fig. 1 wieder,
jedoch mit folgenden Ausnahmen: Bohrung 12 erstreckt
sich vom Einlaß 23 ganz bis zum Auslaß 17 und die Düse 13 fehlt; eine dünne ebene kreisförmige Scheibe 50
ist auf der Stange 30 anstelle des Konus montiert; ein dünner ebener Ring 51 mit einer zentralen kreisförmigen
öffnung 52 ist in der Bohrung 12 zwischen Scheibe 50 und Auslaß 17 befestigt, und bildet die Einschnürung
anstelle der Düse 13; die Kugel 34 fehlt; und die Stange 30 ist so gekürzt, daß sie an der abstromseitigen
Kante des Ringes 51 endet. Die Scheibe 50 besitzt eine zylindrische Oberfläche. Die Stange 30,
Bohrung 12, Scheibe 50, Ring 51 und öffnung 52 sind sämtlich zur Achse 11 konzentrisch. Die Scheibe 50
arbeitet voll äquivalent zum Konus 32 unter den meisten
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Betriebsumständen. Die Stärke der Scheibe 50 ist
kein signifikanter Faktor, ist jedoch vorzugsweise kleiner als die Hälfte ihres Durchmessers. In
ähnlicher Weise ist die Stärke des Konus 32 in Fig. 1 ebenfalls vorzugsweise kleiner als die Hälfte
seines Basisdurchmessers. Es ist nicht notwendig, daß ein Teil der Scheibe 50 direkt dem Einlaß 23
ausgesetzt ist, wie das bei dem Konus 32 der Fall war, jedoch sollte der Einlaß 23 so nahe wie möglich
an der Scheibe 50 angeordnet sein, was Fig. 5 erläutert. Wenn der Abstand zwischen Einlaß 23 und
Scheibe 50 zunimmt, sinkt der Wirkungsgrad der Vorrichtung. Der Ring 51 arbeitet als volles Äquivalent
zur Düse 13 unter den meisten Betriebsumständen. Für
eine Überschallströmung ist seine Stärke, d. h. seine Dimensionlängsachse 11, wenigstens die Hälfte
des Durchmessers der Scheibe 50. In ähnlicher Weise ist auch die Länge des zylindrischen Abschnittes 15
in Fig. 1 vorzugsweise wenigstens die Hälfte des Basisdurchmessers des Konus 32.
Für einen möglichst effizienten Betrieb ist der Abstand zwischen Scheibe 50 und der Aufstromseite des
Ringes 51 zweckmäßig ungefähr gleich dem Durchmesser der Scheibe 50 oder der Hälfte des Durchmessers der
Scheibe 50. Wenn der Abstand zwischen der Scheibe 50 und Ring 51 kleiner als der Durchmesser der
Scheibe 50, jedoch nicht di© Hälfte des Durchmessers der Scheibe 50 ist, erhält man einen weniger wirksamen,
jedoch sonst zufriedenstellenden Betrieb. Wenn der Abstand zwischen Scheibe 50 und Ring 51
größer als der Durchmesser der Scheibe 50 ist, fällt der Wirkungsgrad der Vorrichtung rapide ab mit zunehmendem
Abstand, speziell wenn er mehr als das Doppelte des Durchmessers der Scheibe 50 ist. In ähnlicher Weise
erhält man den effizientesten Betrieb bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1, wenn der Abstand zwischen der
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Basis des Konus 32 und dem Zylinderabschnitt 15 etwa gleich dem Basisdurchmesser des Konus 32
oder der Hälfte des Basisdurchmessers des Konus 32 ist. Der Durchmesser der öffnung 52 steuert
die Durchsatzrate durch die Vorrichtung. Die Scheibe 50 und der Ring 51 können als Wirbellinsen
angesehen werden, die den Gasstrom durch die Bohrung 12"fokussieren", um eine Überschalldüse
zu simulieren. Falls erwünscht, kann die Stange 30 über den Auslaß 17 hinaus sich erstrecken,
um Wirbelkörper und/oder einen Resonator in noch zu beschreibender Weise zu montieren und zu tragen.
Das Haupterfordernis besteht darin, den Gasstrom, der in die Bohrung 12 aus dem Einlaß 23 eintritt,
mit einem Wirbelkörper zu unterbrechen. Dieser Wirbelkörper kann sehr unterschiedliche Formen haben,
jedoch die wirksamsten Formen bestehen aus einer ebenen kreisförmigen Fläche für den Gasstrom,
nämlich der Konus 32 gemäß Fig. 1 und die Scheibe 50 gemäß Fig. 5. In einem typischen Ausführungsbeispiel
besitzt die Vorrichtung nach Fig. 5 folgende Abmessungen: Durchmesser des Einlasses 23: 0,312
Zoll; Durchmesser der Bohrung 12: 0,312 Zoll; Länge der Bohrung 12: 0,686 Zoll; Durchmesser der Scheibe
50: 0,200 Zoll j Stärke der Scheibe 50: 0,032 Zoll; Durchmesser der öffnung 52: 0,150 Zoll; Stärke des
Ringes 51: 0,100 Zoll; Abstand zwischen dem aufstromseitigen Ende der Bohrung 12 und der aufstromseitigen
Fläche der Scheibe 50: 0,496 Zoll; Abstand zwischen der abstromseitigen Fläche der Scheibe b0 und der
aufstromseitigen Fläche von Ring 51: 0,200 Zoll; Durchmesser der Stange 30: 0,093 Zoll; Durchmesser
der öffnungen 33: 0,032 Zoll? und die Länge der
Stange 30 in der Bohrung 12; 0,596 Zoll.
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Fig. 6 und 7 erläutern die Gasströmung im einzelnen in der Wirbel-erzeugenden Vorrichtung gemäß Fig. 5.
Wenn der durch Pfeile 60 dargestellte unterbrochene Gasstrom über die ebene Aufstromfläche der Scheibe
50 und um deren Kante herum st. it, werden eine Anzahl
kleiner tornadoähnlichr . Wirbel 61 in einem
Ring koaxial zur Achse 11 gebildet. Anders als die Wirbelablösung, die normalerweise auftritt, wenn
ein nicht stromlxnienförmiger Körper in einem Mediumstrom liegt, sind die Wirbel 61 ganz stabil und haben
Achsen parallel zur Flußrichtung des Stromes, d. h. parallel zur Achse 11. Jeder Wirbel 61 nimmt an Umfang
bei seiner Abstrombewegung wie Fig. 6 zeigt zu
und rotiert um seine eigene Achse in Gegenrichtung des Uhrzeigers bei Blickrichtung in Abstromrichtung
(Fig. 7). Die Wirbel 61 besitzen somit konische Umhüllungskurven, die bei ihrer Abstrombewegung sich
zu vermengen suchen. Die umhüllenden der Wirbel 61 drehen sich auch alle um die Achse 11 im Gegensinn des
Uhrzeigers bei Blickrichtung nach Abstromrichtung, wie die Pfeile 62 in Fig. 7 andeuten sollen. Die ebene
Aufstromfläche des Ringes 51 unterbricht den Strom
der Wirbel 61, wodurch das Gas zu einer einwärts gerichteten Strömung in Richtung auf die Achse 11 zu
veranlaßt wird, wie die Pfeile 63 in Fig. 6 zeigen. Folglich strömt das Gas an Wirbeln 61 durch die öffnung
52 und die Wirbel vermischen sich zusammen und bilden einen einzigen großen Wirbel 64, der um die
Stange 30 dreht. In gewissem Ausmaß überleben die einzelnen kleinen Wirbel das Vermischen an der öffnung
52 und sind in dem großen Wirbel 64 vorhanden. Wie oben erläutert, erzeugt die Wirbelströmung auf
der Abstromseite der Scheibe 50 Unterdruck, wenn die Wirbel 61 sich zu einem einsigen Wirbel 64 vereinigen
und durch den Ring 51 laufen»
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Ein ähnliches Wirbelbild wird von dem Konus 32 und der Aufstromseite der Düse 13 gemäß Fig. 1 erzeugt.
Messungen zeigten, daß der Unterdruck in den Wirbeln 61 wesentlich kleiner, d. h. zwei bis drei Mal kleiner
ist als der Unterdruck im Wirbel 64. Somit kann das Gas, das die einzelnen Wirbel 61 bildet, mit
Überschallgeschwindigkeit strömen, selbst wenn das den einzelnen Wirbel 64 bildende Gas nicht mit Überschallgeschwindigkeit
strömt. Die Ausbildung der einzelnen Wirbel 61 ist ein wichtiger Teil des gesamten
Prozesses. Es scheint, daß der Unterdruck an der Verengung direkt mit der Anzahl der gebildeten Wirbel
61 zusammenhängt. Für eine gegebene Ring-Querschnittsfläche zwischen Bohrung 12 und Scheibe 50 werden die
meisten einzelnen Wirbel 61 auf einem Wirbelkörper gebildet, der eine kreisförmige Fläche darbietet,
da ein Kreis den größten Umfang für die Ausbildung der einzelnen Wirbel 61 darstellt.
Für den wirksamsten Betrieb der Vorrichtung gemäß Fig. 1 oder der Vorrichtung gemäß Fig. 5 ist es zweckmäßig,
mehrere Punkte zu beachten. Die erste Regel besteht darin, daß die Querschnittsfläche des Ringes
zwischen Konus 32 (oder Scheibe 50) und der Fläche der Bohrung 12 wenigstens 12 % größer und vorzugsweise
20 % größer ist als die minimale Querschnittsfläche der Verengung, d. h. der Querschnittsfläche
des zylindrischen Abschnitts 15 (oder der öffnung 52). Die zweite Regel besagt, daß der Ringraum zwischen
Oberfläche der Bohrung 12 und Konus 32 (oder Scheibe 50) so klein wie möglich sein soll unter Beachtung
der ersten Regel. Das Verhältnis dieses Raums zum Basisdurchmesser des Konus 32 sollte niemals 30 %
überschreiten oder,in anderen Worten, das Verhältnis des Basisdurchmessers des Konus 32 zum Durchmesser
der Bohrung 12 sollte wenigstens 0,625 betragen. Nach
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der dritten Regel soll der Umfang des Konus 32 (oder der Scheibe 50) so groß wie möglich sein,
jedoch unter Beachtung der ersten und zweiten Regel.
Fig. 8 erläutert eine abgewandelte Ausführungsform des Ringes 51 aus der Ausführungsform gemäß
Fig. 5. Statt daß ebene Flächen vorgesehen sind, hat der Ring 51 konkave konische Flächen, die
das Vermischen der Wirbel in dem die öffnung 52 eintretenden Gas unterstützen. Fig. 9 zeigt eine
Abänderung der Scheibe 50 aus der Ausführungsform der Fig. 5. Hier ist die Kante der Scheibe
50, statt rein zylindrisch, gephast, konisch gehalten
oder abgeschrägt. Mit anderen Worten, die Aufstromseite der Scheibe 50 hat einen größeren
Durchmesser als die Abstromseite. Wenn zu zerstäubende Flüssigkeit durch die Stange 30 zugeführt
wird und die Stange 30 in der Verengung endet (Fig. 8), kann ein einziges Abgabeloch am
Ende der Stange 30 vorgesehen sein, d. h. die öffnung in der Stange 30 weist dann zur Abstromseite.
In einem speziellen Ausführungsbexspiel bildet die konische Fläche des Ringes 51 einen Halbwinkel
von 60° mit Achse 11, und die konische Fläche der Scheibe 50 bildet einen Winkel von 15° mit Achse
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 10, bei der die
gleichen Teile wieder die gleichen Bezugszeichen tragen wie bei der Wirbel-erz^eugenden Vorrichtung
gemäß Fig. 1, bestehen die. folgenden Unterschiede: Die Bohrung 12 erstreckt sich vom Einlaß 23 bis zum
Auslaß 17 und Düse 13 fehlt} ein Konus 70 weist mit seiner Basis vom Konus 32 weg und mit seiner Spitze
auf den Konus 32 zu und ist am Ende der Stange
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jenseits des Auslasses 17 befestigt, anstelle der Kugel 34; Flüssigkextsabgabeöffnungen 33 sind in
der Stange 30 zwischen Auslaß 17 und Konus 70 ausgebildet. In dieser Ausführungsform arbeitet
der Konus 70 als Verengung im Durchflußkanal gebildet durch Bohrung 12, obgleich der Konus 70
jenseits des Auslasses 17 sich befindet. Die Vorrichtung erzeugt keinen so tiefen Unterdruck wie
die Vorrichtung gemäß Fig. 1 und 5, stellt jedoch eine wirksame Zerstäube- oder Atomisiervorrichtung
dar, die in einer großen Anzahl von Anwendungsfällen nützlich ist. Als Alternative kann
eine Düse wie etwa in Fig. 1 dargestellt oder ein Ring gemäß Fig. 5 auch in dieser Ausführungsform
zusätzlich zum Konus 70 verwendet werden.
Fig. 11 zeigt einen zylindrischen Durchflußkanal
mit Auslaß 111 sowie mit einem quer liegenden zylindrischen Einlaß 112. Kanal 110 hat eine Zylinderachse
113, die als Strömungsachse dient. Einlaß besitzt eine Zylinderachse 114, die Achse 113 zweckmäßig
rechtwinklig schneidet. Eine Stange 115 erstreckt sich durch den gesamten Kanal 110 bis zu einer Stelle
über dem Auslaß 111 hinaus, d. h. bis zum Äußeren des Kanals 110, in Ausrichtung mit der Achse 113. Konische
Kegelstümpfe 116 und 117 sind in Ausrichtung zur Achse
113 auch im Ende der Stange 115 außerhalb des Kanals
110 befestigt, wo sie zur Bildung eines Doppelkegels
angeordnet sind. Die Basen der Kegel 116, 117 besitzen ebene Kreisflächen. Die Basis, des Kegels 116 weist
auf den Auslaß 111 zu und die Basis des Kegels
weist vom Auslaß 111 weg.
In dem durch den Kanal 110 strömenden Medium wird durch
einen Kegel 118 und eine Düse 119 in der im Zusammenhang
mit Fig. 1 bis 10 beschriebenen Weise ein Wirbel gebildet. Kegel 118 und Düse 119 sind gestrichelt dar-
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gestellt und zeigen an, daß andere Arten von Bauteilen zur Ausbildung eines Wirbels im Kanal 110
verwendet v/erden können, einschließlich der anderen Ausführungsformen, die im Zusammenhang mit
Fig. 1 bis 10 beschrieben word*3- sind, wobei natürlich
auch innere Wirbel hi] 3x ^.e. Elemente insgesamt
bei einigen Ausführungsformen weggelassen werden können. Mit Ausnahme des Ersatzes der beiden Kegel
116 und 117 für die Kugel entspricht die Vorrichtung
gemäß Fig. 11 derjenigen aus Fig. 1. Falls gewünscht, kann die Stange 115 hohl sein und die zu zerstäubende
Flüssigkeit der Düse 119 oder einem anderen gewünschten Punkt längs der Achse 113 in der im Zusammenhang
mit Fig. 1 bis 10 beschriebenen Weise zuführen.
Eine nicht dargestellte Gasquelle versorgt Einlaß 112. Das Gas strömt vom Einlaß 112 durch Kanal 110
zum Auslaß 111,und durch den Kegel 118 und die Düse
119 wird ein Wirbel darin gebildet. Die Doppelkegel 116, 117 dienen als Wirbelkörper zur Unterbrechung
der am Auslaß 111 vorhandenen wirbeligen Strömung durch den Kanal 110 und zur Bildung einer stehenden
Stoßwelle, die die aus der öffnung 111 austretenden Schallwellen reflektiert. In dem Ringraum zwischen
den Kegeln 116 und 117 wird ein Unterdruck, d. h. ein Druck unter dem Umgebungsdruck jenseits des Auslasses
111 gebildet. Der Druckabfall zwischen dem Umgebungsdruck
und dem Unterdruck im Ringbereich zwischen den Kegeln 116 und 117 erzeugt eine ringförmige
Stoßwelle, die die Aktivierung des wirbelnd strömenden Gases erhöht.
Vorzugsweise beträgt der Abstand zwischen den Basen der Kegel 116 und 117 etwa ein Mehrfaches der Hälfte
des Durchmessers der Basis 116 und 117; beispielswei-
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se ist das Vielfache das Zwexfache. Die Kegel 116
und 117 sind so nahe wie möglich am Auslaß 111,
ohne daß der Gasstrom durch den Kanal 110 abgeschnitten wird, d. h. in der Größenordnung von
0,010 bis 0,020 Zoll. Die Stärke jedes Kegels 116 und 117, d. h. die Abmessung senkrecht zur Oberfläche
ihrer Basen, ist kleiner als die Hälfte des Durchmessers ihrer Basen. In diesem Fall ist das
Mehrfache das Zweifache. Wie somit in Fig. 11 dargestellt,
stehen die Spitzen bzw. die konischen Enden der Kegel 116 und 117 einen kleinen Abstand
auseinander.
In einer typischen Ausführungsform, bei der der Kanal 110, der Auslaß 111, der Einlaß 112, der Konus 118
und die Düse 119 die gleichen Dimensionen und Stellungen wie bei Fig. 1 genannt haben, hat der Abstand zwischen
dem Auslaß 111 und der Basis des Konus 116 den Wert 0,020 Zoll, der Durchmesser der Kegel 116 und 117
hat den Wert 0,200 Zoll, der konische Halbwinkel der Kegel 116 und 117 beträgt 34,6°, der Abstand zwischen
den Basen der Konusse 116 und 117 hat den Wert 0,200
und die Stärke der Konusse 116 und 117 beträgt 0,069 Zoll,
Fig. 12 bis 16 zeigen weitere Ausführungsformen eines
Wirbelkörpers außerhalb der Wirbel-erzeugenden Vorrichtung gemäß Fig. 11. In Fig, 12 weist der Wirbelkörper
Konusse 130, 131 und 132 auf. Wie die Konusse 116 und 117 in Fig. 11, sind die Konusse 130 und 131 gegeneinander
nach Art eines Doppelkegels arrangiert, wobei die Basis des Kegels 130 auf den Auslaß 111 zuweist und die
Basis des Kegels 131 vom Ausmaß 111 wegweist. In dieser
Ausführungsform dient der Kegel 132 zur Stabilisierung
der Gasströmung unter gewissen Betriebsumständen. Vorzugsweise sind die Kegel 130, 131 und 132 alle identisch
in Größe und auf die Achse 113 ausgerichtet.
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In Fig. 13 weist der Wirbelkörper Kegel 133, 134,
135 und 136 auf. Wie die Kegel 116 und 117 in Fig. 11, sind die Konusse 133 und 134 mit ihren Spitzen
aufeinanderzu angeordnet nach Art eines Doppelkegels, wobei die Basis des Kegels 133 auf den Auslaß
111 zuweist und die Basis des Kegels 134 vom
Auslaß 111 wegweist. In ähnlicher Weise sind die Kegel 135 und 136 ebenfalls nach Art eines Doppelkegels
zusammengefaßt, wobei die Basis des Kegels 135 auf die Basis des Kegels 134 zuweist. Der Abstand
zwischen den Kegeln 133 und 124 und der Abstand zwischen den Kegeln 135 und 136 ist jeweils
vorzugsweise etwa gleich einem Mehrfachen der Hälfte ihrer Durchmesser. Die beiden Doppelkegel erhöhen
weiter die Aktivierung des Gases durch den Wirbelkörper.
Der Wirbelkörper gemäß Fig. 14 weist anstelle der Kegel 116 und 117 aus Fig. 11 ebene kreisförmige
Scheiben 137 und 138 auf, die nebeneinander in Ausrichtung auf die Achse 113 außerhalb des Kanals
angeordnet sind. Ein Unterdruck wird in dem Ringraum zwischen den Scheiben 137 und 138 ähnlich wie bei
der Ausführungsform gemäß Fig. 11 erzeugt. Der Abstand
zwischen den Scheiben 137 und 138 ist ungefähr gleich einem Mehrfachen der Hälfte ihres Durchmessers.
Im allgemeinen ist das Mehrfache das Einfache oder Zweifache, d. h. der Abstand zwischen den Scheiben
137 und 138 ist die Hälfte des Durchmessers oder der Gesamtdurchmesser. Die Stärke der Scheiben 137,
ist kleiner als die Hälfte ihres·Durchmessers. In einer typischen Ausführungsform hat der Abstand vom
Auslaß 111 zur Scheibe 137 den Wert 0,020 Zoll, der Abstand
von der abstromseitigen Fläche der Scheibe 137 bis zur aufstromseitigen Fläche der Scheibe 138 den Wert
0,200 Zoll, der Durchmesser der Scheiben 137 und den Wert 0,200 Zoll, und die Stärke jeder der Scheiben
137 und 138 jeweils den Wert 0,032 Zoll.
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In Fig. 15 weist der Wirbelkörper eine Kugel 139 auf, die eine stehende Stoßwelle erzeugt und als
Reflektor für das Gas aus dem Auslaß 111 dient. In einer typischen Ausfuhrungsform, bei der die
drei Abmessungen der Wirbel-erzeugenden Vorrichtungen die gleichen wie diejenigen aus dem speziellen
Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind, hat die Kugel 139 einen Durchmesser von 0,1875 Zoll und
der Abstand vom Auslaß 111 bis zur Kugel 139 beträgt 0,100 Zoll.
Bei Fig. 16 weist der Wirbelkörper einen Kegel und eine Kugel 141 auf, die nebeneinander aneinander
anliegend angeordnet sind. Der Konus 140 ist näher am Einlaß 112 als an der Kugel 141.
Seine Basisfläche weist zum Auslaß 111 und seine
Spitze liegt an der Kugel 141 an. In einer typischen Ausführungsform hat der Abstand vom Auslaß 111 zur
Basis des Konus 140 den Wert 0,020 Zoll und der Basisdurchmesser des Konus 140 beträgt 0,200 Zoll,
die Stärke des Konus 140 ist 0,069 Zoll und der konische Halbwinkel des Kegels 140 hat den Wert
34,6° und der Durchmesser der Kugel 141 beträgt 0,1875 Zoll.
Eine beliebige Anzahl von Konussen oder Kegeln oder Scheiben können auf der Stange ähnlich wie in Fig. 11,
13 und 14 gezeigt befestigt werden. Weiter kann jede
andere Art an Wirbel-erzeugenden Vorrichtungen mit den erwähnten externen oder äußeren Wirbelkörpern
ausgerüstet werden, obgleich die Vorrichtung gemäß Fig. 1 bis 10 bevorzugt werden. Obgleich die hier beschriebenen
speziellen Wirbelkörper sich als besonders vorteilhaft erwiesen haben, können die Wirbelkörper
natürlich eine beliebige Farm oder Gestalt annehmen, die eine stehende Stoßwelle auszubilden gestattet
und als Reflektor für die Schallwellen in dem aus dem
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Auslaß des Kanals austretenden Medium dienen.
In Fig. 17 besitzt ein zylindrischer Durchflußkanal 210 einen Auslaß 211 und einen quer liegenden zylindrischen
Einlaß 212. Kanal 11 · .esitzt eine Zylinderachse
213, die als Achse aes Durchflusses dient. Einlaß 212 hat eine Zylinderachse 214, die die
Achse 213 vorzugsweise rechtwinklig schneidet. Eine Stange 215 erstreckt sich ganz durch den Kanal 211
bis zu einer Stelle jenseits des Auslasses 211, d. h. außerhalb des Kanals 210 und befindet sich in Ausrichtung
mit der Achse 213. Die konischen Kegel 216 und
217 sind in Ausrichtung mit Achse 213 auf Stange 215
außerhalb des Kanals 210 befestigt, wo sie mit ihren Spitzen aufeinanderzu weisen, d. h. sie sind nach Art
eines Doppelkegels angeordnet. Die Basis des Kegels 116 und diejenige des Kegels 217 haben jeweils ebene
kreisförmige Flächen. Die Basis des Kegels 216 v/eist zum Auslaß 211 zu und die Basis des Kegels 217 weist
vom Auslaß weg. Die Auslässe 216 und 217 bilden zusammen
einen äußeren Wirbelkörper. In dem durch den Kanal 210 strömenden Medium wird durch den Kegel 218
und eine Düse 219 in der im Zusammenhang mit den Fig. 1 bis 10 beschriebenen Weise ein Wirbel erzeugt.
Kegel 218 und Düse 219 sind gestrichelt angedeutet, was meint, daß auch andere Arten von Bauelementen zur
Ausbildung eines Wirbels in dem Kanal 210 verwendet werden können, einschließlich der anderen Ausführungsformen, die oben im Zusammenhang mit den Fig. 1 bis
beschrieben v/orden sind, wobei sich natürlich auch versteht, daß die inneren Wirbel-bildenden Elemente sämtlich
in einigen Ausführungsformen weggelassen v/erden
können. Bis auf den Ersatz der Kegel 216 und 217 für
eine Kugel ist der bisher beschriebene Teil der Fig. derjenigen der Fig. 1 gleich. Auf Wunsch kann die
Stange 215 hohl sein und eine zu zerstäubende Flüssigkeit der Düse 219 oder einem anderen gewünschten Punkt
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längs der Achse 213 in der im Zusammenhang mit Fig. 1 bis 10 beschriebenen Weise zugeführt werden.
Ein säulenförmiger Resonator ist am Ende der Stange 215 außerhalb des Kanals 210 befestigt. Im einzelnen
ist zu sagen, daß der Resonator 230 zylindrisch ist, dessen Achse auf Achse 213 ausgerichtet ist und mit
einem offenen Ende 231 auf den Auslaß 211 zuweist und mit einem geschlossenen Ende 232 am Ende der
Stange 215 befestigt ist. Die Konusse 216, 217 liegen zwischen Auslaß 211 und Resonator 230. Vorzugsweise
liegt das abstromseitige Ende des Wirbelkörpers, d. h. die Basis des Kegels 217, in der gleichen Ebene
wie das offene Ende 231 des Resonators 230, jedoch liegt eine Verschiebung des abstromseitigen Endes
des Wirbelkörpers aus der Ebene des Endes 231 im Bereich von plus oder minus der halben Breite des Wirbelkörpers,
d. h. des Konusbasisdurchmessers, innerhalb der Erfindung, da damit zufriedenstellende Ergebnisse
erzielt werden können. Die Länge des Resonators 230, d. h. der Abstand vom offenen Ende 231 bis zum geschlossenen
Ende 232 und die Weite des Resonators 230, d. h. der Durchmesser 'des Zylinders, sind Mehrfache
eines gemeinsamen Teilers und vorzugsweise einander gleich.
Der Resonator schneidet den vom Wirbelkörper unterbrochenen
Gasstrom und resoniert in zwei Dimensionen, wobei das auswärts sich bewegende rotierende Gas mittels der
gewählten Weite des Resonators und das sich vorwärts bewegende Gas, d. h. das sich längs der Achse 213 bewegende
Gas wird mittels der gewählten Länge des Resonators in Resonanz kommen. Im Gegensatz dazu resoniert der an
sich bekannte Helmholtz-Resonator nur aufgrund der gewählten Länge. Die Breite wird nur unter Berücksichtigung
des Umstandes gewählt, daß das gesamte zum Resonator fließende Gas aufgenommen und zur Resonanz gebracht
werden kann.
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Eine nicht dargestellte Gasquelle versorgt den Einlaß 212. Das Gas strömt vom Einlaß 212 durch Kanal
210 zum Auslaß 211, und ein Wirbel wird durch Kegel
218 und Düse 219 gebildet. Die Kegel 216, 217 dienen als Wirbelkörper zur Unterbrechung der durch den
Kanal 210 aus dem Auslaß 211 wirbelnd strömenden
Strömung. Der Resonator 230 tritt mit dem Gas in Wechselwirkung und resoniert mit diesen und erzeugt
intensive und starke Schallwellen im Hörbereich. Diese Schallwellen haben eine sehr starke Zerstäubungsoder Atomisierfähigkeit. Wenn die Vorrichtung als Zerstäuber
oder Atomisierer verwendet wird, wird Flüssigkeit durch die Stange 215 vorzugsweise zu Auslaßlöchern
in der Stange 215 an der Düse 219 geleitet.
Statt Kegel 216 und 217 können auch andere Arten äußerer
Wirbelkörper einschließlich der im Zusammenhang mit Fig. 11 bis 16 beschriebenen Wirbelkörper zwischen Auslaß
211 und Resonator 230 vorgesehen werden. Ebenfalls wird der Wirbelkörper vorzugsweise auf der Stange 215
befestigt. Wenn ein Uirbelkörper, wie etwa die Kegel
216 und 217, v/eggelassen wird, wird kein hörbarer Schall
erzeugt, sondern es erfolgt eine Verstärkung der Atomisierwirkung des wirbelnd strömenden Gases.
Resonator 230 wird vorzugsweise auf den Durchmesser des Wirbelkörpers, d. h. den Durchmesser des Kegels 216
dimensionsmäßig abgestimmt. Die Länge und Breite des Resonators 230 ist etwa gleich einem Mehrfachen des
Durchmessers des Wirbelkörpers, z. B. das Dreifache des Durchmessers des Wirbelkörpers.'In einer typischen Ausführungsform
der Erfindung, in der der Kanal 210, der Auslaß 211, der Einlaß 212, die Kegel 216, 217 und 218
und die Düse 219 die gleichen Dimensionen und Positionen wie bei der im Zusammenhang mit Fig. 1 und 11 beschriebenen
Ausführungsform haben, hat der Abstand der Basis
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des Kegels 217 vom offenen Ende 231 den Wert 0,020
Zoll, hat der Innendurchmesser des Resonators 230 den Wert 0,600 Zoll, hat die innere Länge des Resonators
230 den Wert 0,600 Zoll. Schallpegel in der Größenordnung 140 dB wurden typischerweise an
einer Stelle gemessen, die 5 Zoll von dem Wirbelkörper entfernt quer zur Achse 213 lagen, wobei die
Gasquelle einen Druck von 8 psig hatte.
Fig. 18 zeigt eine weitere Ausführungsform eines
Resonators für die Wirbel-erzeugende Vorrichtung mit externem Wirbelkörper gemäß Fig. 17. Der Wirbelkörper
ist bei 235 gestrichelt angedeutet und kann daher durch verschiedene andere Arten von
Wirbelkörpern am Auslaß des Kanals ersetzt werden, unter Einschluß der Ausführungsformen, die oben im
Zusammenhang mit den Fig. 11 bis 16 beschrieben wurden.
Ein Resonator 236, der in teilweise weggeschnittener Seitenansicht dargestellt ist, hat Knieform und
kreisförmigen Querschnitt. Ein Ende 237 des Knies ist offen und ein Ende 238 des Knies ist geschlossen.
Ende 237 weist auf den Auslaß des Kanals und den Wirbelkörper 235 zu und Ende 238 weist rechtwinklig zum Auslaß
des Kanals. Das Ende der Stange 215 ist an der Wandung des Resonators 236 gegenüber dem offenen Ende
befestigt. Der Querschnittsdurchmesser des Resonators 236 beträgt etwa die Hälfte der Länge des Resonators
236 vom Ende 237 zu seiner Wandung, an der die Stange 217 befestigt ist; der Querschnittsdurchmesser des Resonators
236 beträgt die Hälfte seiner Länge vom Ende
237 zur gegenüberliegenden Wandung des Resonators 236, d. h. zu der Wandung, an der die Stange 215 befestigt
ist, und eine Hälfte der Tiefe des Resonators 23 6, d. h. des Abstandes vom Ende 238 zur gegenüberliegenden Wandung;
Ende 237 des Resonators 236 ist vom Wirbelkörper 235 um eine Strecke entfernt, die etwa gleich der Breite
des Wirbelkörpers 235 ist, z. B. gleich seinem Durch-
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2 :-■ ι -. ] ] S
messer. Und die Breite des Resonators 236, d. h. sein Querschnittsdurchmesser, ist ein Vielfaches,
z. B. das Dreifache der Breite des Wirbelkörpers.
Es wurde beobachtet, daß die Jn^^nsität der durch
die Vorrichtungen gemäß Fi^. ,· und 18 erzeugten
Schallwellen und auch vermutliche Frequenz proportional zur Gasstromrate ist, so daß die Vorrichtung
für Meßzwecke eingesetzt werden kann.
Die Einzelteile der Vorrichtung wurden aus Metall, wie etwa Stahl, hergestellt, und der Resonator bestand
aus handelsüblichen Kupfer-Armaturen. Natürlich ist die Erfindung auch ausführbar mit entsprechend
geformten Kunststoffteilen.
Obgleich ein Resonator mit kreisförmigem Querschnitt vorgezogen wird, kann der Querschnitt des Resonators
unterschiedliche Formen haben, also etwa rechtwinklig, quadratisch, länglich u. dgl. sein.
Die Erfindung ist selbstverständlich auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen nicht beschränkt, vielmehr
sind zahlreiche Abwandlungen und verschiedene andere Gestaltungen ohne weiteres im Rahmen der Erfindung.
Obgleich beispielsweise der Kinlaß 23 quer zur Strömungs achse liegend bevorzugt wird, kann der Einlaß 23 auch,
wie bei üblichen Düsen, mit der Achse ausgerichtet sein; obgleich es ferner vorgezogen wird, den Wirbel zum
Teil mit einem Kegel zu erzeugen, kann der Kegel auch v/eggelassen werden und der Stange die Erfüllung seiner
Funktion überlassen. Die Kuyel jenseits des Auslasses
des Wandlers kann in vielen Fällen ohne nachteilige Konsequenzen für die Gasquelie und die Verengung weggelassen
v/erden. Obgleich es vorgezogen wird, Flüssigkeit dem zylindrischen Abschnitt 15 zuzuführen, kann
die Flüssigkeit auch an anderen Stellen zerstäubt werden, ζ „ B. beim Auslaß 17; wenn der Wandler nicht zum
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Zerstäuben oder Atomisieren verwendet wird, kann die Quelle 31 insgesamt weggelassen werden. Weiter
sind für die Verengung natürlich auch andere als die dargestellten Formen ohne weiteres möglich,
beispielsweise konvergierende/divergierende Abschnitte , konvergierende/zylindrische/divergierende
Abschnitte, oder ein divergierender Abschnitt alleine. In einigen Anwendungsfällen kann der Umgebungsdriick
des Bereichs, in den der Auslaß des Wandlers sich öffnet, Unterdruck sein, d. h. wie
im Einlaßkanal eine Verbrennungskraftmaschine. In solchem Fall kann die Quelle 24 atmosphärischen
Druck besitzen, d. h. die Quelle 24 kann die umgebende Atmosphäre sein. Andererseits kann der Umgebungsdruck
in dem Bereich, in welchem der Auslaß der Vorrichtung sich öffnet, überdruck sein, und
in solchen Fällen erscheinen am Auslaß der Vorrichtung sehr gute Wirbel, die möglicherweise besser
sind, als wenn der Umgebungsdruck gleich dem atmosphärischen Druck ist. Die Erfindung kann ferner
dazu verwendet werden, Flüssigkeiten zu aktivieren, d. h. die Quelle 24 kann eine Flüssigkeitsquelle
statt einer Gasquelle sein. Es versteht sich ferner, daß die Erfindung auf die für die einzelnen Ausführungsformen
derselben mitgeteilten Dimensionen und einzelnen Abmessungen nicht beschränkt ist.
Insgesamt wurde ein Durchflußkanal mit einer Einschnürung
beschrieben, der zwischen einem Mediumeinlaß und einem Mediumauslaß angeordnet ist. Ein innerer Wirbelkörper
, etwa in der Form eines Konus oder einer Scheibe, ist im Durchflußkanal zwischen Einlaß und Verengung
angeordnet. Der Einlaß liegt quer zur Achse des Durchflußkanals. Der innere Wirbelkörper ist auf einer
Stange befestigt, die sich durch den Durchflußkanal erstreckt. Die Stange kann hohl sein und Löcher in der
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Nähe der Einschnürung zur Abgabe von Flüssigkeit haben. Wenn das Medium in den Einlaß einläuft
und an der Stange und dem Wirbelkörper zur Einschnürung strömt, wird ein Wirbel erzeugt. Ein
Wirbelkörper ist am Auslaß außerhalb des Kanals angeordnet und unterbricht das wirbelnd strömende
Medium. Ein Resonator ist am Auslaß außerhalb des Kanals angeordnet und steht mit dem wirbelnd durch
den Kanal strömenden Medium in Wechselwirkung. Der äußere Wirbelkörper liegt zwischen dem Auslaß des
Kanals und dem Resonator und unterbricht die Mediumströmung durch den Kanal.
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Claims (1)
- Nathaniel Hughes, 1934 Sonora Road, Palm Springs, California 92262 (V. St. A.)Vorrichtung zur Erzeugung stabiler LuftwirbelAnsprüche(λ) Wirbel-erzeugende Vorrichtung, bestehend aus einem Mediumeinlaß (23), einem Mediumauslaß (17) und einem Durchflußkanal (12) zwischen Mediumeinlaß und Mediumauslaß,dadurch gekennzeichnet, daß in dem Durchflußkanal (12) eine Verengung (13) ausgebildet ist und daß ein Wirbelkörper (32) in dem Durchflußkanal auf der Aufstromseite der Verengung (13) angeordnet ist, welcher zur Unterbrechung eines MediumsStroms eine in Aufstromrichtung weisende ebene Flüche aufweist.2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbelkörper ein Konus (32) ist, dessen Basis zur Aufstromseite weist und dessen Spitze zur Abstromseite weist.DKS/igD 2B00 BREMEN 1 · EDUARD-TELEGRAMMEFERROPAT · TELEX 02 44 020 FEPATTELEFON ( 0421 ) * 7 20 48 BREMER BANK 100 9072 · POSTSCHECK HAMBURG 25 57* 28Ί oü3b3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (23) so positioniert ist, daß die Basis und nur ein Teil des Konus im Einlaß freiliegen.4. Vorrichtung nach Anspruon 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbelkörper eine kreisförmige Scheibe (50) ist.5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe einen zylindrischen Mantel hat.6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die kreisförmige Scheibe (50) eine abgeschrägte Kante besitzt, wobei der Durchmesser der aufstromseitigen Fläche der Scheibe größer ist als der Durchmesser der abstromseitigen Fläche.7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußkanal eine vorgegebene Querschnittsfläche hat und daß die Einschnürung (13) einen zylindrischen Abschnitt (15) mit kleinerer als vorgegebenen Querschnittsfläche und einen divergierenden Abschnitt (16) aufweist, der den zylindrischen Abschnitt mit dem Auslaß (17) verbindet.8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußkanal eine vorgegebene Querschnittsfläche hat und daß die Einschnürung von einem dünnen ebenen Ring (51) mit kreisförmiger öffnung (52) gebildet ist, deren Querschnittsfläche kleiner als die vorgegebene Querschnittsfläche ist.9. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Scheibe und dem Ring gleich dem Durchmesser oder gleich dem halben Durchmesser der Scheibe ist.10. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke des Ringes wenigstens gleich dem halben Durchmesser der Scheibe ist.11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Durchflußkanal eine Stange (30) axial ausgerichtet angeordnet ist, auf der der Wirbelkörper befestigt ist.12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Stange hohl ist und in der Nähe der Einschnürung eine oder mehrere Öffnungen (33) aufweist; daß eine Quelle einer zu zerstäubenden Flüssigkeit zur Flüssigkeitszufuhr mit der Stange verbunden ist.13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der Stange weniger als 50 % der minimalen Querschnittsfläche der Einschnürung ist.14. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß. die Querschnittsfläche der Stange zwischen etwa 10 bis 20 % der minimalen Querschnittsfläche der Einschnürung ausmacht.15. Vorrichtung nach Anspruch 11/ dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende der Stange sich durch den Durchflußkanal über den Auslaß (17) hinaus erstreckt und einen Konus (70) jenseits des Auslasses trägt, dessen Spitze zur Aufstromseite und dessen Basis zur Abstromseite weisen.16. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Wirbelkörper und der Oberfläche des Durchflußkanals kleiner ist als 30 % des Abstandes über die ebene Fläche des Körpers.H 0 9 8 5 0 / 0 6 0 517. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des Abstandes zwischen der Fläche des Durchflußkanals und dem Wirbelkörper wenigstens 10 % größer ist als die minimale Querschnittsfläche der Einschnürung.18. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des Abstandes zwischen dem Wirbelkörper und der Oberfläche des Durchflußkanals etwa 20 % größer ist als die minimale Querschnittsfläche der Einschnürung.19. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gasquelle (24) mit dem Mediumeinlaß (23) gekoppelt ist, wobei die Druckdifferenz zwischen der Quelle und dem flediumauslaß (17) derart ist, daß das Gas aus der Quelle durch den Durchflußkanal vom Einlaß zum Auslaß strömt und beim Umströmen des Wirbelkörpers Wirbel bildet.20. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußkanal, der Wirbelkörper, die Einschnürung und der Auslaß auf eine gemeinsame Durchflußachse ausgerichtet sind, und daß der Einlaß (23) quer zur gemeinsamen Durchflußachse ausgerichtet ist.21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbelkörper eine zum Auslaß (17) v/eisende ebene Oberfläche besitzt.22. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbelkörper ein äußerer Konus ist, dessen ebene Fläche zum Auslaß weist.23. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Wirbelkörper zwei zu einem Doppelkegel angeordnete Konusse (116, 117) aufweist, wobeiH M Q 8 b η / 0 6 0 S2815Ü8Sdie Basis des ersten Kegels (116) zum Auslaß (111) und die Basis des zweiten Kegels weg vom Auslaß (111) weisen.24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Basis des einen Konus (116) und der Basis des anderen Konus (117) etwa gleich dem Durchmesser des Konus ist.25. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der Konusse kleiner als die Hälfte ihrer Durchmesser ist.26. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Wirbelkörper zwei zu einem Doppelkegel angeordnete Konusse autelst, wobei der erste Konus mit seiner Basis gegen den Auslaß (111) und der zweite Konus mit seiner Basis weg von dem Auslaß weist, und daß ein dritter Konus (132) mit seiner Basis zur Basis des zweiten Konus (131) zugewandt vorgesehen ist.27. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Wirbelkörper vier Konusse aufweist, wobei die ersten beiden Konusse nach Art eines Doppelkegels und der dritte und vierte Konus ebenfalls nach Art eines Doppelkegels angeordnet sind und die Basis des zweiten Konus zur Basis des dritten Konus weist.28. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Wirbelkörper zwei ebene Kreisscheiben (137, 138) aufweist, die nebeneinander angeordnet sind.29. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Scheiben etwa?) 03850/0605gleich den; Durchmesser oder gleich der Hälfte des Durchmessers der Scheiben ist.JO. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der Γ ' ^iben kleiner als die Hälfte ihres Durchmas? --■ ist.31. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Wirbelkörper eine Kugel
(139) ist.32„ Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Kirbeikörper aus einem
Konus (14 0) und einer Kugel (141) besteht, wobei
die Basis des Konus zum Auslaß (111) weist und die Spitze des Konus an der Kugel anliegt.33. Vorrichtung nach Ansprach 20, dadurch gekennzeichnet, äaiß eine Stange (30) sich über die volle Länge des Durchflußkanals (12) erstreckt und außerhalb des Kanals endet, wobei der Wirbelkörper vom Ende der Stange getragen wird.34. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Resonator am Auslaß außerhalb des Kanals angeordnet ist.35. Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Auslaß (211) und dem Resonator (230) ein Wirbelkörper (216, 217) angeordnet36. Vorrichtung nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium wirbelnd längs einer Strömungsachse durch den Durchflußkanal (210) strömt;H U 9 8 5 0 / 0 6 0 B ORIGINAL INSPECTED_ "J —dnß der Resonator (230) säulenartig ist und mit seiner Längsachse auf die Strömunqsachse ausgerichtet ist und mit seinem offenen Ende (231) auf den Auslaß (211) und mit seinem geschlossenen Ende (232) weg vom Auslaß (211) weist; daß der Wirbelkörper mit einem Ende zum Auslaß und mit einem anderen Ende weg vom Auslaß weist, wobei das weg vom Auslaß weisende Ende des Wirbelkörpers (217) in der gleichen Ebene wie das offene Ende des Resonators (230) liegt.37. Vorrichtung nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator eine Länge hat, die parallel zu seiner Längsachse ist und eine Breite hat, die senkrecht zur Längsachse sich erstreckt, wobei Länge und Breite ungefähre Mehrfache der Breite des Wirbelkörpers sind.38. Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium längs einer Strömungsachse durch den Durchflußkanal strömt, und daß der Resonator säulenartig ist und mit seiner Längsachse mit der Durchflußachse ausgerichtet ist, mit seinem offenen Ende auf den Auslaß zuweist und mit: seinem geschlossenen Ende vom Auslaß wegweist.39. Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß Länge und Breite des Resonators im wesentlichen gleich sind.40. Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium längs einer Strömungsachse durch den Durchflußkanal strömt, daß der Resonator (230, 236) zylindrisch ist und mit seiner Zylinderachse auf die Strömungsachse ausgerichtet ist, wobei ferner sein offenes Ende auf den Auslaß (211) zuweist und das geschlossene Ende vom Auslaß weg-Wl.-ist./ OBO 5mmORIGINAL INSPECTEDο41. Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium längs einer Strömungsachse durch den Durchflußkanal strömt, und daß der Resonator knieförmig ausgebildet ist, dessen Mittelachse an einem Ende auf der Strömungsachse ausgerichtet ist, einen kreisförmigen Querschnitt besitzt, mit seinem offenen Ende auf den Auslaß zuweist und mit seinem geschlossenen Ende (238) unter rechtem Winkel vom Auslaß wegweist, und wobei sich die Wandung des Resonators vom offenen Ende zum geschlossenen Ende erstreckt.42. Vorrichtung nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Resonators vom offenen Ende bis zu der dem offenen Ende gegenüberliegenden Wandung und die Länge des Resonators von dem geschlossenen Ende zu der dem geschlossenen Ende der gegenüberliegenden Wandung das Mehrfache des Durchmessers des kreisförmigen Querschnitts des Resonators sind.ORIGINAL INSPECTED 80 9850/0605
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