DE3025864C2 - Mit einem Schnellschlußventil kombinierte Schlitzdüse - Google Patents

Description

3. Darstellung der Erfindung
a) Aufgabe

Ausgehend von der bekannten, mit einem Schnellschlußvenlil kombinierten Schlitzdüse mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches (DE-OS 28 10 791) liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,

so durch eine Konzentrierung der Abdichtung zwischen dem inneren drehbaren Zylinder und dem äußeren Zylinderkörper im Bereich der Schlitzdüse eine genauere Steuerung der öffnungs- und Schließzeiten des Schnellverschlußventils zu erreichen und durch diese Verlagerung der Abdichtung den Innenraum des Schnellschlußventils für zusätzliche Maßnahmen nutzbar zu machen.

!.Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Behandlung so gasförmiger Stoffe und Stoffgemische und ist bei der konstruktiven Ausgestaltung einer Schlitzdüse anzuwenden, mit der impulsförmigc Gasstrahlen erzeugt werden.

b5

2. Stand der Technik Bei der Untersuchung von chemischen Reaktionen in

b) Lösung der Aufgabe

Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß der innere drehbare Zylinder exzentrisch zum äußeren Zylinderkörper gelagert ist und mit seiner Mantelfläche den Eingang der Schlitzdüse gleitend berührt und daß zwischen dem inneren drehbaren Zylinder und dem äußeren Zylinderkörper beiderseits der Schlitzdüse sich in axialer Richtung erstreckende Dichtungskörper angeordnet sind.

c) VorteiJie und weitere Ausgestaltung

Bei einer derart ausgebildeten Schlitzdüse ist die gleitende Reibung des Schnellschlußventils auf einen kleinen Umfangsbereich beschränkt, wodurcii höhere Drehzahlen des drehbaren Zylinders und damit schnellere Taktfolgen beim öffnen und Schließen der Schlitzdüse möglich sind. Da die Abdichtung zwischen dem inneren drehbaren Zylinder und dem äußeren Zylinderkörper nur im unmittelbaren Bereich der Schlitzdüse erfolgt, kann der übrige Raum des Schnellschlußventils für zusätzliche Maßnahmen wie Mischung von Gasen, Verdichtung eines Gases oder Gasgemisches oder für Dosierzwecke verwendet werden. Für eine Mischung verschiedener Gase innerhalb des äußeren Zylinderkörpers ist dieser mit zwei Gaszuführungsstutzen zu versehen. Für die Verdichtung eines Gases oder eines Gasgemisches und für Dosierzwecke ist eine Ausgestaltung geeignet, bei der der innere drehbare Zylinder als Vollkörper oder geschlossener Körper ausgebildet ist und einen sich axial erstreckenden Dichtungsschieber aufweist, der in Umdrehungsrichtung gesehen kurz hinter dem der Düsenlänge entsprechenden axialen Schlitz angeordnet ist und radial am äußeren Zylinderkörper gleitet, und bei der weiterhin der axiale Schlitz die öffnung eines im drehbaren Zylinder angeordneten Hohlraumes bildet.

d) Ausführungsbeispiele

Zwei Ausführungsbeispiele einer mit einem Schnellschlußventil gekoppelten Schlitzdüse sind in den F i g. 1 bis 4 dargestellt.

Bei dem schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß F i g. I ist ein äußerer Zylinderkörper 2 vorgesehen, in dem exzentrisch der innere Zylinder 4 drehbar gelagert ist. Der Zylinderkörper 2 umschließt den Raum 24, dem über den Stutzen 3 ein Gasgemisch zugeführt wird. Der innere Zylinder 4 ist mit wenigstens einem Längsschlitz 41 versehen, der äußere Zylinderkörper 2 hat einen Längsschlitz 1, der als Entspannungsdüse ausgebildet ist. Beiderseits dieser Düse 1 sind Dichtungskörper 21 vorgesehen, so daß das durch den Stutzen 3 eingebrachte Gasgemisch nur über die Schlitze 41 in den Innenraum des drehbaren Zylinders 4 eindringt und — sobald dieser Schlitz 41 mit dem Düsenschlitz 1 zur Deckung kommt — entspannt wird. Die Öffnungszeit für diese Düse ergibt sich dabei aus der Zahl der axialen Schlitze 41 und der Umdrehungsgeschwindigkeit des drehbaren Zylinders 4. Dieser Zylinder 4 wird elektromotorisch mit einem Spaltrohrmotor angetrieben, wie er im Querschnitt in der F i g. 2 angedeutet ist. Auf einer Achse mit dem drehbaren Zylinder 4 und seinen axialen Schlitzen 41 ist der Rotor 52 des Spalirohrmotors angeordnet. Dessen Statorwicklung ist mit 51 bezeichnet. Dieses System ist auf der einen Seite im Lager 42 und auf der anderen Seite im Lager 54 zentriert, wobei letzteres am Gehäuse 5 befestigt ist. Das Gehäuse 5 schließt den Innenraum des äußeren Zylinderkörpers 2 in der dargestellten Weise gasdicht.

Die leistenförmigen Dichtungskörper 21 können aus einem Kunststoff, wie z. B. Teflon bzw. kohlegefülltem Teflon, oder auch aus Kohle bzw. teflon- oder kupfergefüllter Kohle oder aus Bronze bestehen. Es ist dabei zweckmäßig, daß diese in entsprechende Nuten des äußeren Zylinderkörpers 2 eingelassen sind und ihre Oberflächen in die Innenoberfläche dieses Zylinderkörpers stufenlos übergehen.

Die Stirnseite des drehbaren Zylinders 4 sind gegenüber der Stirnseite des äußeren Zylinderkörpers 2 mit Hilfe einer speziellen Dichtung, z. B. einer Labyrinthdichtung, oder eines Dichtrahmens abgedichtet, der die

% Dichtungskörper 21 entsprechend dem Radius des Rotors 52 miteinander verbindet. Auf diese Weise bleiben die Leckverluste des Schnellschlußventils möglichst gering.
Falls ein zu entspannendes Gasgemisch gemeinsam

ίο mit einem Reaktionsparnter entspannt werden soll, kann die Einrichtung gemäß den F i g. 1 und 2 so ausgestaltet werden, daß der Reaktionspartner gleichfalls in den Innenraum 24 eingeführt und dort durch die Rotation des Innenzylinders 4 mit dem über den Stutzen 3 eingeführten Gas gemischt wird.

Zur weiteren Veranschaulichung des mit der Schlitzdüse kombinierten Schnellschlußventils seien mögliche Abmessungen kurz erwähnt. Der Durchmesser des drehbaren Zylinders 4 beträgt beispielsweise 50 mm, die Breite der Schlitze 41 400 μπι, deren Länge 100 mm. Der Durchmesser des äußeren Zylinderkörpers 2 beträgt etwa 55 mm und die Umdrehungszahl des drehbaren Zylinders 1500 U/min. Dies ergibt eine Umfangsgeschwindigkeit von 3,9 ni/sec, was bei der angegebenen Schlitz-

breite von 400 μπι eine Öffnungszeit von ungefähr 200 ys><zz bedeutet. Bei einer Anzahl von vier Schlitzen ist die Wiederholungsfrequenz 100 Hz, eine solche ist auch mit vielen Lasergeräten zu erreichen. Andere Öffnungszeiten lassen sich durch Variieren der Umfangsgeschwindigkeit und die Wiederholfrequenz durch eine Änderung der Zahl der Schlitze erreichen.

Eine Konstruktionsvariante, bei der das Schnellschlußventil gleichzeitig als Verdichter- und Dosiereinrichtung wirkt, ist in den F i g. 3 und 4 dargestellt. Der drehbare Zylinder ist hier nicht mehr hohl, sondern als Vollkörper oder geschlossener Körper ausgebildet und mit 6 bezeichnet. In einem radialen Schlitz ist ein Schieber 61 gelagert, der durch die Zentrifugalkraft stets an die Innenwand des äußeren Zylinderkörpers 2 ange-

drückt wird und als Drehkolben wirkt. In Ümdrehungsrichtung gesehen liegt vor diesem Schieber ein nach außen offener Hohlraum 7, der die zur Entspannung durch die Düse 1 vorgesehene Gasmenge aufnimmt. Über den Stutzen 31 wird das in dieser Vorrichtung zunächst zu komprimierende und dann über die Düse 1 zu entspannende Gas eingeführt, über den Stutzen 32 eventuell ein Zusatzgas, was bei dieser Gelegenheit mit dem anderen Gas vermischt wird und gemeinsam über die Düse 1 entspannt und der Bestrahlung, beispielsweise durch einen Laserstrahl, zugeführt wird. Durch die Rotation des drehbaren Zylinders 6 der ähnlich wie in Fig. 2 dargestellt angetrieben wird, komprimiert der Schieber 61 das im Raum 26 befindliche Gasvolumen V₁₁ mit dem Druck P_a schließlich auf das Volumen V,. im Raum 7 mit dem Druck p_c vor der Düse. In dieser wird dann das nur in diesem Raum 7 befindliche Gasvolumen vollständig oder teilweise entspannt.

Bei teilweiser Entspannung ist das Volumen V_t. des Raumes 7 so ausgelegt, daß der Druckabfall p_c im Raum

bo 7 klein ist und damit die Diisenbetriebsdaten konstant bleiben. Diese Vorrichtung kann gemäß F i g. 4 auch dahingehend abgewandet werden, daß die eigentliche Entspannrngsdüse im drehbaren Zylinder 6 als Verbindung zwischen dem Raum 7 zum Raum 26 angebracht wird,

b5 wobei dann der Schlitz 1 im äußeren Zylinderkörper 2 lediglich eine räumliche Ergänzung der Düse 71 darstellt.

Bei dieser Einrichtung wird also mit Hilfe des Sc

bers 61 das Gas umgepumpt, verdichtet und bei Überlappung der Spalte des Raumes 7 und der Spalte 1 im äußeren Zylinderkörper 2 kurzzeitig über die Düse dreigegeben. Dabei wird das Gas vom Anfangsvolumen V₃ + V₁. auf das Volumen V_c im Raum 7 komprimiert. Das Verhältnis der Volumina wird dabei so gewählt, daß V,,/V_edem Entspannungsverhältnis der Düse entspricht. Hier ist zu berücksichtigen, daß der theoretische Wert aufgrund der Leckrate des Ventils (durch Schieber und Dichtungen) nicht erreicht wird, so daß mit einem Wirkungsgrad ^gerechnet werden muß.

Die Verdichtung ist näherungsweise durch das Boyle-Mariott'sche Gesetzt gegeben.

Ya. _mL·. V. r>«

gen. Somit ergibt sich für
— - 100

und für

10 Pa

V. =

100 · 5 · 10"³1

_ 0,51

(gilt für ideales Gas, wobei T- const)

Vj Anfangsvolumen (Volumen zwischen den Zylindern 6 und 2

V_e Endvolumen (Volumen im Zylinder 6)
p₃ Anfangsdruck in V₁₁ und V_c Pe Enddruck in V_e (Raum 7)

Unter Berücksichtung des Wirkungsgrades φ erhält man

1,45 · 10« Ι/Γ

T Temperatur = 300 K

M Molekulargewicht = 21.4 für 5% UF₆ in He (als

Beispiel)
ν mittlere Geschwindigkeit

Hieraus folgt

V = 5· 10"³Cm-10 cm 1,45-10⁴

V = 2,71/sec

300 cm 21,4 see Bei einem Wirkungsgrad von 0,25, der durch die Leckrate des Ventils gegeben ist. beträgt damit das Volumen V₁ zwischen Rotor und Stator

V₁, = 2 1

Diese Werte sind mit folgenden Dimensionierungen der Einrichtung nach F i g. 3 zu erreichen.:

0 Rotor	150 mm
0 Stator	220 mm
0 Bohrung im Rotor	3 mm
30 Spaltweite	400 μσι
Drehzahl	1500 U/min

Der Durchsatz durch eine Düse der nachstehend angegebenen Dimensionierung ergibt sich aus nachstehender Formel zu:

V- = ds ■ I ■ ν

V Durchsatz

d_% öffnung der Düse an der engsten Stelle = 50 μίτι / Länge der Düse = 10 cm

ν mittlere Geschwindigkeit der Teilchen und die mittlere Geschwindigkeit aus

Sollte die Gefahr groß sein, daß bei über den Stutzen 31 gleichzeitig zugeführtem Gemisch aus zu bestrahlen-

j5 dem Gas und Reaktionspartner unerwünschte Reaktionen zwischen diesen stattfinden, so besteht die Möglichkeit diese Reaktionspartner beispielsweise über den Stutzen 32, an den in nicht dargestellter Weise kleine Dosierventile oder zwangsgesteuerte Ventile bekannter Bauart angeflanscht sind, zuzugeben. Während dieser Zeit ist der Druck im Raum 26 noch sehr klein, so daß es erst sozusagen im letzten Moment des Kompressionsvorganges zu Reaktionen kommen kann. Dies beruht darauf, daß die Reaktionsgeschwindigkeit dem Partialdruck der Reaktionspartner proportional ist. Diese Verhinderung vorzeitiger und auch unselektiver Reaktionen läßt sich nicht nur über den Druck des zugeführten Reaktionspartners, sondern auch über den Anbringungsort des Stutzens 32 am Außenzylinder 2 auf günstigste Werte bringen.

Die beschriebenen, mit einem Schnellschlußventil kombinierten Entspannungsdiisen sind besonders für Trenneinrichtungen geeignet, mit denen gasförmige Isotopengemische, speziell Uranisotope, durch adiabatisehe Entspannung und nachfolgende Laserbestrahlung behandelt werden.

Bei einer Öffnungszeit von r = 200 iisec beträgt der Durchsatz V₂Oa^eC -u w~* I. Bei einem zulässigen Druckabfall Ap_c = 10% pro Entspannung muß das Volumen

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Ve = 10 · V_{200 M}scr

i_c ~ 5 - 10-»/ _b5

betragen.

Das Entspannungsverhältnis der Düse soll 100 betra-

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Mit einem Schnellschlußventil kombinierte Schlitzdüse zur Erzeugung impulsförmiger Gasstrahlen, bestehend aus einem äußeren Zylinderkörper mit einem Gaszuführungsstutzen und mit einer direkt angeschlossenen, in Längsrichtung des Zylinderkörpers verlaufenden Schlitzdüse und aus einem inneren drehbaren Zylinder, der auf seinem Umfang wenigstens einen axialen Schlitz aufweist, dadurch gekennzeichnet,

daß der innere drehbare Zylinder (4, 6) exzentrisch zum äußeren Zylinderkörper (2) gelagert ist und mit seiner Mantelfläche den Eingang der Schlitzdüse (1) gleitend berührt und

daß zwischen dem inneren drehbaren Zylinder (4,6) und dem äußeren Zylinderkörper (2) beiderseits der Schlitzdüse (1) sich in axialer Richtung erstreckende Dichtungskörper (21) angeordnet sind.

2. Schlitzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Dichtungskörper (21) stufenlos in die Innenfläche des äußeren Zylinderkörpers (2) übergeht.

3. Schlitzdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der drehbare Zylinder (4) mit seinem einen Ende mittels der Rotorachse eines gleichachsig angeordneten Spaltrohrmotors (51,52) in dem Lager (54) eines Gehäuses (5) gelagert ist, welches den Rotor (52) des Spaltrohrmotors gasdicht gegenüber dem Raum außerhalb des Zylinderkörpers (2) abschließt.

4. Schlitzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der drehbare Zylinder (4) als Hohlzylinder ausgebildet ist.

5. Schlitzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet.

daß der drehbare Zylinder <6) als Vollkörper oder geschlossener Körper ausgebildet ist und einen sich axial erstreckenden Dichtungsschieber (61) aufweist, der in Umdrehungsrichtung gesehen kurz hinter dem der Düsenlänge entsprechenden axialen Schlitz (71) angeordnet ist und radial am äußeren Zylinderkörper gleitet, und

daß der axiale Schlitz (71) die öffnung eines im drehbaren Zylinder (6) angeordneten Hohlraumes (7) bildet.

6. Schlitzdüse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die axialen Schlitze (71) des drehbaren Zylinders (6) die Form einer Entspannungsdüse haben, die ihre räumliche Ergänzung in der Schlitzdüse (1) des äußeren Zylinderkörpers (2) finden.

der Gasphase, bei der Gasanalyse in Verbindung mit Laserspektrometern, bei der konstruktiven Ausgestaltung gasdynamischer Laser und bei der adiabatischen Entspannung gasförmiger Stoffe oder Stoffgemische

werden schlitzartige Düsen verwendet, um Gasstrahlen mit bestimmten Eigenschaften hinsichtlich Druck, Temperatur und Geschwindigkeit zu erzeugen. Beispielsweise bei der Isotopentrennung werden gasförmige Isotopengemische mittels einer Schlitzdüse adiabatisch ent-

spannt und anschließend einer isotopenselektiven Laserbestrahlung ausgesetzt. Die für die tsotopenselektive Laseranregung benötigten hohen Leistungen werden ohne Schwierigkeiten von gepulsten Lasern erreicht. Zur Abstimmung der Gasströmung auf die gepulste Laserbestrahlung ist daher eine Schlitzdüse bekannt, die mit einem Schnellschlußventil gekoppelt ist. Der Schließ- und Öffnungstakt dieses Ventils kann an die Pulsfolge der Laserstrahlung angepaßt werden. Zu diesem Zweck besteht das Schnellschlußventil aus einem äußeren Zylinderkörper und aus einem inneren drehbaren Zylinder. Während der äußere Zylinderkörper mit einem auf der Mantelfläche angeordneten Gaszuführungsstuizen und mit einer direkt angeschlossenen, in Längsrichtung des Zylinderkörpers verlaufenden

Schlitzdüse versehen ist, weist der innere drehbare Zylinder auf seinem Umfang wenigstens einen axialen Schlitz auf, und seine übrige Mantelfläche dient als Dichtfläche zum Sperren der Schlitzdüse (DE-OS 28 10 791). Durch eine konzentrische Anordnung des

ίο drehbaren Zylinders in dem äußeren Zylinderkörper wirkt dabei der Spalt zwischen beiden Teilen als Dichtung. Mit Rücksicht auf Reibungsprobleme darf dieser Spalt nicht zu klein sein. Er läßt daher eine gewisse Leckströmung des jeweiligen Gases oder Gasgemisches

zu, die sich nachteilig auf die zeitliche Genauigkeit der mit dem Schnellschlußventil erzielten Impulsfolge bzw. Impulslängen auswirkt. Von gewissem Nachteil ist weiterhin das relativ große Volumen des drehbaren Zylinders, da in diesem bereits Reaktionen zwischen gasför-

4n migen Reaktionspartnern stattfinden können.