DE4106419C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Schnee - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Schnee, insbesondere für das Skifahren, bei welchem bei einer Temperatur der Umgebungsluft von etwa 0°C oder niedriger Wasser aus einer Düse in die Umgebungsluft versprüht wird und die sich dabei bildenden unterkühlten Wassertröpfchen in der Umgebungsluft zum Gefrieren gebracht werden.

Verfahren und Vorrichtungen dieser Gattung, bei welchen die in die Umgebungsluft versprühten winzigen Wassertröpfchen ihre Restwärme mit der Wärme der kälteren Umgebungsluft austauschen, sind bekannt. Diese bekannten Verfahren und Vorrichtungen können in drei Gruppen eingeteilt werden, nämlich in Verfahren und Vorrichtungen, die mit Druckluft arbeiten, in solche, die ohne Druckluft arbeiten und in solche, die sowohl mit als auch ohne Druckluft arbeiten (z. B. DE-OS 20 42 796).

Eine mit Druckluft arbeitende bekannte Vorrichtung ist in Fig. 5 der Zeichnung dargestellt. Bei dieser Vorrichtung 9 wird zur Schnee-Erzeugung das physikalische Prinzip verwendet, daß Luft sich bei adiabatischer Expansion stark abkühlt. Zu diesem Zweck wird Wasser zusammen mit Druckluft aus einer Düse 10 zum Austreten gebracht. Damit kann Schnee 11 erzeugt werden, wenn die Temperatur der Umgebungsluft niedriger als -3°C ist, der allerdings ziemlich naß ist.

Fig. 6 zeigt eine Vorrichtung 12, die ohne Druckluft arbeitet. Mit dieser Vorrichtung 12 wird Schnee 11 dadurch erzeugt und in die Umgebung versprüht, daß Wasser mit Hilfe eines Ventilators 14 zu einem Wassernebel zerstäubt wird. Mit dieser bekannten Verfahrensweise und Vorrichtung kann, da den Wassertropfen keine zusätzliche kalte Luft zugeführt wird, jedoch nur dann Schnee erzeugt werden, wenn die Umgebungstemperatur -5°C oder niedriger ist.

Eine bekannte Vorrichtung zur Erzeugung von Schnee mit und ohne Druckluft ist in Fig. 7 gezeigt. Diese Vorrichtung 15 ist mit zwei Arten von Düsen 16 ausgestattet, wobei Schnee dadurch erzeugt wird, daß Wasser aus einer Düse 16 zur Bildung von unterkühlten Wassertropfen 17 versprüht wird und daß aus einer anderen Düse 1 austretende Eiskristallkeime auf die Wassertropfen 10 zum Auftreffen gebracht werden.

Da jedoch auch hier die Wirkung der adiabatischen Luftexpansion ausgenutzt wird, kann Schnee nur bei Temperaturen der Umgebungsluft erhalten werden, die -3 bis -5°C unterschreitet, wie dies auch bei der Druckluftvorrichtung 9 der ersten Gattung der Fall ist.

Mit den bekannten Verfahren und Vorrichtungen der drei vorgenannten Gattungen ist es somit schwierig, einwandfreien Schnee zu erzeugen, wenn die Temperatur der Umgebungsluft nicht etwa -5°C oder weniger beträgt. Bei höheren Temperaturen wird kein Schnee oder allenfalls ein sehr nasser Schnee erzeugt, der nicht zufriedenstellend ist, da er sich nicht gut zum Skifahren eignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend genannten Probleme dadurch zu beseitigen, daß ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Schnee geschaffen wird, mit welchen eine große Menge trockener Schnee bei einer Umgebungslufttemperatur von -5 bis 0°C, natürlich aber auch bei kälteren Lufttemperaturen, erzeugt werden kann. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß in einem vorgegebenen Abstand von der Sprühdüse Ultraschallwellen auf die aus dieser Düse ausgesprühten Wassertropfen zur Einwirkung gebracht werden, wodurch die Wassertropfen aus ihrem unterkühlten Zustand freigegeben und zum Gefrieren gebracht werden. Zweckmäßig werden dabei hochfrequente Ultraschallwellen mit einer Frequenz von 15 bis 50 kHz verwendet, die in einem Abstand von 1 m von ihrer Schallquelle eine Schalleistung von mindestens 100 dB haben.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine Vorrichtung mit einem Ultraschallwellengenerator verwendet werden, der derart angeordnet und ausgebildet ist, daß die von ihm ausgesendeten Ultraschallwellen in einem vorgegebenen Abstand von der Sprühdüse auf die aus dieser ausgetretenen Wassertropfen einwirken und dabei zu einem Freigeben der Wassertropfen aus ihrem unterkühlten Zustand und Gefrieren der Wassertropfen in der Umgebungsluft führen.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung neben Ausführungsformen der eingangs genannten bekannten Schnee-Erzeugungsvorrichtungen dargestellt, die im folgenden näher beschrieben werden:

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung in schematischer Darstellung,

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung der sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ergebenden Beziehung zwischen der Schneehöhe (Höhe der erzeugten Schneeschicht) und der Schneedichte abhängig vom Abstand der Schneeposition von der Düse,

Fig. 4 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Schneehöhe und den Schnee-Eigenschaften, abhängig vom Abstand der Schneeposition von der Düse bei einem Verfahren ohne Anwendung von Ultraschallwellen,

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer mit Druckluft arbeitenden bekanten Schnee-Erzeugungsvorrichtung,

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer ohne Druckluft arbeitenden bekannten Schnee-Erzeugungsvorrichtung,

Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer bekannten mit und ohne Druckluft arbeitenden Schnee-Erzeugungsvorrichtung,

Fig. 8 ist eine Schrägansicht eines Ausführungsbeispieles eines mit Schwingplatte arbeitenden Ultraschallwellen-Generators,

Fig. 9 ist eine Schrägansicht eines Ausführungsbeispieles eines fokussierten Ultraschallwellengenerators.

Die in Fig. 1 gezeigte erfindungsgemäße Vorrichtung hat eine Sprühvorrichtung 1 mit einer Düse 3 zum Aussprühen von Wassertröpfchen 5 und einen Generator 2 zur Erzeugung von Ultraschallwellen 6. Die Wassertröpfchen werden mittels Druckluft aus der Düse 3 in die Umgebungsluft ausgesprüht, wobei die Sprühvorrichtung so ausgelegt ist, daß die Teilchengröße der ausgesprühten Wassertröpfchen zwischen 5 bis 500 µm ist. Der Düse 3 wird das Wasser aus einem Wasserbehälter 4 zugeführt. Der Ultraschallwellengenerator erzeugt Ultraschallwellen 6, die gegen die ausgesprühten Wassertröpfchen 5 in einem Abstand von der Düse 3 gerichtet sind. Die Frequenz dieser Ultraschallwellen 6 liegt zwischen 15 und 50 kHz, während deren Schalleistung 100 dB oder mehr im Abstand von 1 m von dem Ultraschallwellengenerator 2 ist. Bei ihrer Bewegung durch die Umgebungsluft erfahren die aus der Düse 3 ausgesprühten Wassertröpfchen eine Abkühlung in Folge eines Austausches ihres Wärmegehalts mit derjenigen der Umgebungsluft. Da sie dabei unterkühlt werden, können sie nicht leicht gefrieren, selbst wenn die Umgebungstemperatur 0°C oder niedriger ist. Da diese Tröpfchen erst dann gefrieren, wenn sie zur Erde gefallen sind, beispielsweise auf einen Skihang o. dgl., wird kein Naßschnee erzeugt.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Wassertröpfchen aus ihrem unterkühlten Zustand befreit und dadurch zum Gefrieren gebracht, daß die Ultraschallwellen 6 aus dem Ultraschallwellengenerator 2 in einem Abstand von der Düse auf sie zur Einwirkung gelangen, wobei sie die Wassertröpfchen in Schwingung versetzen. Ist die Umgebungstemperatur etwa 0°C oder niedriger, werden dabei die aus ihrem unterkühlten Zustand befreiten Wassertröpfchen in der Luft zum Gefrieren gebracht, wobei sie sich in Schneeflocken umwandeln, die nur eine geringe Menge an Wasser enthalten, so daß die Wassertröpfchen als verhältnismäßig trockener Schnee zur Erde fallen.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zur Erzeugung der Ultraschallwellen eine hochfrequente Schallquelle von großer Intensität und hoher Effizienz zweckmäßig. Ein Ultraschallwellengenerator mit einer derartigen Schallwelle kann ein an sich bekannter, mit Schwingplatte arbeitender Ultraschallwellengenerator oder ein an sich bekannter fokussierter Ultraschallwellengenerator sein, wie sie in der Publikation "The Generation of Aerial Intense Ultrasonic Wave and Its Application" (Masatada Kawamura, Journal of the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, 1984/4, Band 72, Nr. 4) beschrieben sind.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Schnee-Erzeugung hat der Ultraschallwellengenerator 2 eine Schwingplatte 7, die als Schallquelle dient. Ferner ist ein Thermometer 8 zur Messung der Umgebungslufttemperatur vorgesehen. Aus einem Wasserbehälter 4 wird Wasser von ca. 2°C der Sprühdüse 3 zugeführt, die mit Hilfe von Druckluft dieses Wasser in Form von kleinen Wassertröpfchen in die Umgebungsluft aussprüht, die beispielsweise eine Temperatur von -4°C hat. In einem vorgegebenen Abstand von etwa 1 m von der Sprühdüse 3 werden auf die ausgesprühten Wassertröpfchen die Ultraschallwellen 6 zum Auftreffen auf diese Wassertröpfchen gebracht, wodurch die Wassertröpfchen sich in Schneeflocken umwandeln. Die Schichthöhe und die Eigenschaften des erzeugten Schnees in Abhängigkeit von dem Abstand zur Düse, welche bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung gemessen wurden, sind in Fig. 3 angegeben.

In Fig. 4 sind Dicke und Eigenschaften des Schnees je Entfernung von der Düse angegeben, die bei einem Vergleichsbeispiel ohne Einwirkung von Ultraschallwellen auf die Wassertröpfchen gemessen wurden. In Fig. 3 und 4 ist mit "o" die Schneehöhe und in Fig. 4 mit "Δ" die Dichte des Schnees bezeichnet.

Wie aus Fig. 3 hervorgeht, ergab beim erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel die Messung der Schneehöhe in Abständen von 50 cm von der Düse 3 eine maximale Schneehöhe von 5,2 cm (in einem Abstand von 2 m von der Düse) und eine Schneedichte von etwa 0,2 g/cm³. Dies zeigt, daß ein viel trockener Schnee unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugt werden kann, als er mit den vorbekannten Verfahren erzielbar ist. Der trockene Schnee eignet sich gut zum Skifahren. Fig. 4 zeigt, daß bei dem Vergleichsbeispiel, bei dem keine Ultraschallwellen auf die Wassertropfen zur Einwirkung gelangten, eine Schneehöhe von maximal 2,6 cm in einem Abstand von etwa 2 bis 2,5 m von der Düse erhalten wurde, die also nur halb so groß wie bei dem vorgenannten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens sind. Darüber hinaus hatte der im Vergleichsbeispiel erzeugte Schnee eine große Teilchengröße und war wie Zuckergranulat. Der untere Abschnitt des Schnees war naß. Wie durch A in Fig. 4 angegeben, hatte der Schnee in einem Bereich zwischen der Düse und einer 1,3 m davon entfernten Stelle eine kleine Teilchengröße und war wie Zuckergranulat. Wie durch C in Fig. 4 angegeben, hatte der Schnee an Stellen, die mehr als 4 m von der Düse entfernt sind, ebenfalls eine kleine Teilchengröße und war wie Zuckergranulat.

Bei Erzeugung von Schnee im Temperaturbereich von -5 bis 0°C war die maximale Dicke des Schnees beim erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel (Fig. 3) größer als jene beim Vergleichsbeispiel (Fig. 4), und die Dichten des Schnees beim erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel waren geringer als jene beim Vergleichsbeispiel. Auch bei einer Luft-Temperatur von -1°C konnte mit dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel zuverlässig Schnee erzeugt werden. Es ist daher festzustellen, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Schnee in einer Umgebungsluft mit einer Temperatur von etwa 0°C oder niedriger erzeugt werden kann.

Mit einem Ultraschallwellengenerator, der keine Schwingplatte hat, wird ein Schnee erzeugt, der dem mit dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel erhaltenen Schnee geringfügig unterlegen ist. In diesem Fall sind die Dichte des Schnees geringfügig größer und die Schneehöhe geringfügig kleiner als jene nach diesem Ausführungsbeispiel. Jedoch kann bei Verwendung eines Ultraschallgenerators eine höhere Leistung erhalten werden, wie dies auch bei Verwendung eines fokussierten Ultraschallwellengenerators der Fall ist.

Ein beim erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel zur Erzeugung der Ultraschallwellen zu verwendender Ultraschallwellengenerator ist in Fig. 8 dargestellt. Er hat einen Aufbau, bei dem eine aus Rechteckstreifen aufgebaute Schwingplatte 23 am Ende eines metallischen Horns angebracht ist, das an einem piezoelektrischen Wandler 21 befestigt ist. Wird der Wandler 21 mittels eines (nicht dargestellten) Generators in Schwingungen versetzt, so wird die Schwingplatte 23 in Schwingungen versetzt, so daß Tonwellen in die Umgebung ausgesandt werden.

Fig. 9 zeigt einen fokussierten Generator zur Erzeugung von Ultraschallwellen, bei dem ebene Trennelemente 25 senkrecht auf einer aus Rechteckstreifen aufgebauten Schwingplatte 24 längs Verbindungslinien 26 angeordnet sind. Schallwellen zwischen den Trennelementen, die einander gegengerichtete Phasen haben, werden derart eingestellt, daß diese Wellen die gleichen Phasen haben können. Die von den Oberflächen der Schwingplatte 24 abgestrahlten Schallwellen können auf einen Brennpunkt 28 fokussiert werden, der ausgewählt werden kann, indem die Brennweite und die Positionen einer reflektierenden Platte 27 und der aus Rechteckstreifen aufgebauten Schwingplatte 24 eingestellt werden. Ein starkes Schallfeld kann in einem kleinen Bereich durch Fokussieren der abgestrahlten Schallwellen gebildet werden. Dabei sind Ultraschallwellen mit einem stärkeren Schallfeld (Schalldruckamplitude) im Hinblick auf die Effizienz der Schwingung der Wassertropfen erwünscht.

Wie vorausgehend beschrieben wurde, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Schneeproduktion erhalten werden, die höher ist als die mit dem bekannten Verfahren erzielbare Produktion. Gleichzeitig kann ein trockener und pulverförmiger Schnee mit guten Eigenschaften zum Skifahren in einer Umgebung mit einer Temperatur von etwa 0°C (0°C oder weniger) erzeugt werden.

Wird die Erfindung bei einer Wolke angewendet, so werden Wassertropfen der Wolke mühlos gefroren, so daß es möglich wird, das Wetter mittels eines künstlichen Regens und künstlichen Schneefalls zu beeinflussen. Das bedeutet, daß Regen und Schneefall durch Gefrieren von unterkühlten winzigen Regentröpfchen, die eine Wolke bilden, gefördert werden kann. Es wurden zwar bereits Versuche gemacht, Regen oder Schnee durch Zerstäuben von Silberjodid oder trockenes Eis in Wolken zu erzeugen und die winzigen Wassertropfen, die die Wolke bilden, einzufrieren. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann jedoch besonders einfach künstlicher Regen oder Schneefall erzeugt werden.

Claims (10)

1. Verfahren zur Erzeugung von Schnee, bei welchem bei einer Lufttemperatur von etwa 0°C oder niedriger Wasser aus einer Düse mittels Druckluft in die Umgebungsluft versprüht wird, und die sich dabei bildenden unterkühlten Wassertropfen in der Umgebungsluft zum Gefrieren gebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß in einem vorgegebenen Abstand von der Düse Ultraschallwellen auf die aus dieser Düse ausgesprühten Wassertropfen zur Einwirkung gebracht werden, wodurch die Wassertropfen aus ihrem unterkühlten Zustand freigegeben und zum Gefrieren gebracht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wassertropfen eine Teilchengröße von 5 bis 500µm haben.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwellen hochfrequente Ultraschallwellen mit einer Frequenz von 15 bis 50 kHz sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwellen in einem Abstand von 1 m von ihrer Schallquelle eine Schalleistung von mindestens 100 dB oder mehr haben.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Erzeugung des Schnees die Umgebungsluft eine Temperatur von etwa -5 bis etwa 0°C hat.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Versprühen von Wasser zur Erzeugung einer Menge von Wassertropfen durch Zuführen von Druckluft zur Düse erfolgt.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, mit einer Düse zum Versprühen von Wasser mittels Druckluft, gekennzeichnet durch einen Ultraschallwellengenerator (2), der derart angeordnet und ausgebildet ist, daß die von ihm ausgesendeten Ultraschallwellen (6) in einem vorgegebenen Abstand von der Düse (3) auf die aus dieser ausgetretenen Wassertropfen (5) einwirken und dabei zu einem Freigeben der Wassertropfen aus ihrem unterkühlten Zustand und Gefrieren der Wassertropfen in der Umgebungsluft führen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator zur Erzeugung von Ultraschallwellen ein mit Schwingplatte (7, 23) arbeitender Ultraschallwellengenerator ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator zur Erzeugung von Ultraschallwellen ein fokussierter Ultraschallwellengenerator ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Sprüheinrichtung zur Erzeugung einer Menge von Wassertropfen mit einer Düse umfaßt, aus der Wasser zusammen mit Druckluft ausgesprüht wird.