DE4335547A1 - Düsenanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Düsenanordnung gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1.

Zum Einbringen von Flüssigkeit in fein verteilter bzw. zerstäubter Form in Luft sind bereits Anordnungen bekannt, bei denen die Flüssigkeit an eine Zerstäuberfläche eines Zerstäuberelementes zerstäubt wird, die (Zerstäuberfläche) durch einen elektromechanischen Wandler in mechanische Schwingungen im Ultraschall-Bereich versetzt wird, so daß hierdurch ein Flüssigkeitsnebel, der die Flüssigkeit fein verteilt aufweist, erreicht ist.

Bekannte Düsenanordnungen dieser Art sind aber nicht für solche Anwendungen geeignet, bei denen die Flüssigkeit in einen Luft-, Gas- und/oder Dampfstrom eingebracht werden soll, der mit hoher Geschwindigkeit bzw. Menge die Düsenan­ ordnung passiert, wie dies beispielsweise bei den zum Ausbringen von Wasser verwendeten Düsen von Schneekanonen der Fall ist. Bedingt durch die hohe Geschwindigkeit des Gas-, Luft- und/oder Dampfstromes kommt es bei den bekannten Düsenanordnungen mit Ultraschall-Zerstäuberelementen dazu, daß die angestrebte feine Zerstäubung der Flüssigkeit an dem Zerstäuberelement nicht eintritt, sondern der größte Teil der Flüssigkeit auf die Zerstäuberfläche gedrückt wird und dort einen Flüssigkeitsfilm bildet, der dann in relativ großen Tropfen abtropft, die dann als solche von dem Gas-, Luft- oder Dampfstrom mitgeführt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Düsenanordnung aufzu­ zeigen, die es ermöglicht, auch große Mengen an Flüssigkeiten fein zerteilt in einen großvolumigen Luft-, Gas- und/oder Dampfstrom einzubringen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Düsenanordnung entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 ausgebildet.

Bei der erfindungsgemäßen Düsenanordnung erfolgt das Ein­ bringen der Flüssigkeit zunächst in den Nebenstrom, der ein im Vergleich zu dem Hauptstrom sehr kleines Volumen und auch eine geringere Strömungsgeschwindigkeit aufweist und bei dem somit die vorgenannten, durch die hohe Strömungsgeschwindig­ keit bedingten Nachteile nicht bestehen. Das durch das Einbringen der Flüssigkeit in den Nebenstrom erhaltene Gemisch aus dem Gas, aus Luft oder Dampf mit der fein versprühten bzw. verdüsten Flüssigkeit wird dann dem Haupt­ strom zugeleitet bzw. zugemischt.

Die erfindungsgemäße Düsenanordnung eignet sich insbesondere auch für den Einsatz bei Schneekanonen.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran­ sprüche.

Die Erfindung wird in folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in vereinfachter schematischer Darstellung eine Schneekanone, die eine Vielzahl von Düsen gemäß der Erfindung aufweist;

Fig. 2 in vereinfachter Darstellung und im Schnitt eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Düse;

Fig. 3 in vereinfachter schematischer Darstellung eine weitere mögliche Ausführungsform der erfindungsge­ mäßen Düse.

In den Figuren ist 1 eine Schneekanone, die in bekannter Weise aus einem rohrartigen Gehäuse 2 besteht, welches an beiden Gehäuseseiten 3 und 4 offen ist, d. h. dort im wesent­ lichen nur mit einem nicht dargestellten Schutzgitter versehen ist. Im Inneren des Gehäuses 2 befindet sich ein zum Gehäuseende 4 hin verengernder Luftkanal. In diesem Luftkanal ist im Bereich der Gehäuseseite 3 ein Gebläse 5 angeordnet, welches über die offene Gehäuseseite 3 Umgebungsluft ansaugt, die an der offenen Gehäuseseite 4 ausgeblasen wird. Das Gebläuse 5 ist ein von einem nicht dargestellten Elektromotor um die Längsachse des Gehäuses 2 angetriebenes Lüfterrad.

Im Bereich der offenen Gehäuseseite 3 sind mehrere, die Längsachse L konzentrisch umschließende und unterschiedliche Abstände von dieser Längsachse aufweisende Verteilerleitungen vorgesehen, von denen in der Fig. 1 der einfacheren Dar­ stellung wegen nur zwei Verteilerleitungen 6 und 7 gezeigt sind. Die Verteilerleitung 6 befindet sich dabei noch im Inneren des Gehäuses 2, während die Verteilerleitung 7 außerhalb des Gehäuses 2 unmittelbar an der Gehäuseseite 4 vorgesehen ist. Jede Verteilerleitung 6 und 7 ist mit einer Vielzahl von Düsen 8 versehen, über die in fein verteilter Form, d. h. fein verstäubt Wasser in den bei eingeschaltetem Gebläse 5 an der Gehäuseseite 4 austretenden Luftstrom 9 eingebracht werden kann, so daß dieses Wasser durch Entzug von Wärmeenergie im Luftstrom 9 künstlich erzeugten Schnee ("Kunstschnee") bildet.

Die in den Luftstrom 9 eingebrachte Wassermenge je Zeitein­ heit wird in Abhängigkeit von den Witterungsbedingungen sowie in Abhängigkeit von der gewünschten Schneequalität gesteuert. Um eine möglichst feine und an natürliche "Schneeflocken" möglichst angenäherte Struktur der Schneepartikel zu er­ reichen, ist es erforderlich, die benötigte, in der Regel sehr große Wassermenge möglichst fein verstäubt in den Luftstrom einzubringen. Hierfür ist es notwendig, das Wasser beim Einbringen in den Luftstrom möglichst fein zu verstäuben und dafür zu sorgen, daß der fein zerstäubte Zustand auch im Luftstrom 9 erhalten bleibt.

Die Fig. 3-4 zeigen in Detaildarstellung eine der Düsen 8. Diese Düse besteht aus einem ringförmigen Düsenkörper 10, der an seiner in der Fig. 2 oberen Stirnseite über mehrere speichenartige, in etwa radial zur Düsenachse DA verlaufende Stege 11 mit einem in der Düsenachse angeordneten Anschluß­ stück 12 verbunden ist. Bei der dargestellten Ausführungsform sind drei Stege 11 vorgesehen, die jeweils um 120° um die Düsenachse gegeneinander versetzt sind.

Im Inneren des Düsenkörpers 10 ist ein Ringkanal 13 ausge­ bildet, der über Kanäle 14 in den Stegen 11 mit dem Anschluß­ stück 12 verbunden ist, mit welchem die Düse 8 jeweils an eine Verteilerleitung 6 oder 7 bzw. an einen dortigen Anschluß angeschlossen ist. Die Düse 8 ist dabei so orien­ tiert, daß der von dem Gebläse 5 erzeugte Luftstrom 9 in der Düsenachse DA an der Düse 8 in Richtung der Pfeile A vorbei strömt. An der unteren Stirnseite schließt an dem Düsenkörper 10 das Zerstäuberelement 15 eines Wasser-Zerstäubers 16 an. Bei der in den Fig. 2-4 dargestellten Ausführungsform ist das Zerstäuberelement ein die Düsenachse DA konzentrisch umschließender Ring, der an seiner Außenfläche 15′ und Innenfläche 15′′ kegelstumpfförmig derart ausgebildet ist, daß die Außenfläche 15′ mit zunehmendem Abstand von der Unterseite des Düsenkörpers 10 zunehmend weiter über die kreiszylinderförmige Außenfläche dieses Düsenkörpers 10 wegsteht. Mit einer oberen Planenfläche 15′′′, die in einer Ebene senkrecht zur Düsenachse DA liegt, ist das Zerstäuber­ element 15 dicht mit dem Düsenkörper 10 verbunden. An dieser Fläche 15′′′ sind eine Vielzahl von nutenförmigen, radial zur Düsenachse DA verlaufende Kanäle 17 im Zerstäuberelement 15 vorgesehen, die an ihrem radial innenliegenden Ende über eine Ringöffnung 18 in den Ringkanal 13 münden und an der Außen­ fläche 15′ in einen dort offenen Kanalabschnitt oder in eine Öffnung 17′ übergehen, so daß über das Anschlußstück 12 dem Ringkanal 13 zugeführtes Wasser schließlich an den Ab­ schnitten bzw. Öffnungen 17′ im Bereich der Außenfläche 15′ austreten kann.

Das Zerstäuberelement 15 umschließt mit seiner Innenfläche 15′′ einen Hilfsring 19, der eine relativ hohe Masse aufweist und an seiner der Innenfläche 15′′ benachbarten Außenfläche ebenfalls kegelstumpfförmig ausgebildet ist. Zwischen der Außenfläche des Hilfsringes 19 und der Innenfläche 15′′ sind um die Düsenachse DA verteilt eine Vielzahl von Piezzo-Ele­ menten 20 vorgesehen, die von einem elektrischen Generator 21 mit Impuls- oder Wechselspannungssignalen angesteuert werden und das Zerstäuberelement 15 bzw. den kegelstumpfförmigen Teil dieses Zerstäuberelementes in mechanische Schwingungen im Ultraschall-Bereich versetzen. Durch entsprechende Wahl der Form, Masse, Größe, Dicke sowie anderer für die mechani­ schen Schwingungen maßgeblicher Parameter des Zerstäuberele­ mentes 15 ist erreicht, daß die jeweils von den Piezzo-Ele­ menten 20 erzeugten Schwingungen Resonanzen des Zerstäuber­ elementes 15 entsprechen, so daß mit den Piezzo-Elementen 20 mechanische Schwingungen mit hoher Leistung bzw. mit großen Schwingungsamplituden erzeugt werden können.

Durch die Ausbildung des Zerstäuberelementes 15 als kegel­ stumpfförmiger oder konischer Ring und durch die hierbei erhaltenen unterschiedlichen Durchmesser sind auch ver­ schiedene Resonanzen möglich, wobei dann die Piezzo-Elemente 20 beispielsweise Gruppen bilden, bei denen die Piezzo-Ele­ mente 20 jeder Gruppe für eine bestimmte Resonanzfrequenz in optimaler Weise ausgebildet und angeordnet sind und von dem Generator 21 mit einem dieser Resonanzfrequenz entsprechenden Wechselspannungs- oder Impulssignal angesteuert werden.

Durch die unterschiedlichen Schwingungsfrequenzen und deren Amplituden ergibt sich eine spezielle Verteilung der Größe der Wassertröpfchen im zerstäubten Wasser, wobei diese Verteilung durch Änderung der von dem Generator 21 geliefer­ ten Signale, des Frequenzspektrums usw., beispielsweise durch Änderung der Amplitude des Steuersignals einer Frequenz gegenüber den Amplituden der Steuersignale anderer Frequenzen verändert oder auf einen gewünschten Wert eingestellt werden kann. Der Hilfsring 19 wirkt aufgrund seiner hohen Masse als Gegenlager für sämtliche Piezzo-Elemente 20, so daß keine weitere mechanische Abstützung insbesondere auch für den Hilfring 19 notwendig ist und insbesondere auch die Mitte der Düse 8 für einen Luftdurchtritt freigehalten ist.

Mit 22 ist ein den Düsenkörper 10 und auch das ringförmige Zerstäuberelement 15 umschließender, achsgleich mit der Düsenachse DA angeordneter ringartiger Luftleitkörper 22 bezeichnet, der zwischen sich und der Außenfläche 10′ des Düsenkörpers 10 sowie der Außenfläche 15′ einen ringförmigen Nebenstromkanal 23 bildet, der nur von einem geringen Teil des vom Gebläse 5 erzeugten Luftstromes durchströmt wird, wie dies in der Fig. 2 mit dem Pfeil A′ angedeutet ist. Im Bereich des oberen Endes des Düsenkörpers 10 weist der Nebenstromkanal 23 eine ringförmige Öffnung auf. Ausgehend von dieser Lufteintrittsöffnung weist der Nebenstromkanal 23 zunächst einen gleichbleibenden Querschnitt und dann im Bereich der Außenfläche 15′ einen zunehmend größeren Strömungsquerschnitt auf, so daß dort die den Nebenstromkanal 23 durchströmende Luft einen Unterdruck erzeugt, der nicht nur das Austreten des Wassers aus den Öffnungen 17 unter­ stützt, sondern auch dazu beiträgt, daß das Wasser beim Austreten aus den Öffnungen 17 an der Außenfläche 15′ fein zerstäubt wird und in diesem Zustand verbleibt.

Die Arbeitsweise der Düse 8 läßt sich also so beschreiben, daß das aus den Öffnungen 17′ austretende Wasser auf die Außenfläche 15′ gelangt, an der das Zerstäuberelement 15 in den jeweils gewünschten Schwingungsmustern im Ultraschall-Be­ reich schwingt, und zwar insbesondere in einer Achsrichtung senkrecht zu dieser Außenfläche 15′, wodurch das Wasser zerstäubt wird und in dem so erhaltenen Aerosol die Ver­ teilung der Größe der Wasserpartikel in der vorbeschriebenen Weise abhängig ist von den Schwingungsfrequenzen und deren Amplitude (Frequenzspektrum) und durch Änderung dieser Größen auch verändert werden kann.

Das zerstäubte Wasser wird von dem Luftstrom im Nebenstrom­ kanal 23 mitgeführt und gelangt dann in den Hauptluftstrom.

Durch dieses Verdüsen des Wassers im Nebenstromkanal 23 und durch das anschließende Einleiten erst des so erhaltenen Aerosols in den Hauptluftstrom ist auch eine sehr feine Verteilung bzw. Verdüsung einer großen Wassermenge bei hoher Luftmenge des Hauptluftstromes 9 möglich.

Durch die Ausbildung des Düsenkörpers 10 als Ring wird dieser Düsenkörper innen ebenfalls von dem Hauptluftstrom durch­ strömt, wodurch insbesondere auch eine Kühlung des Düsen­ körpers 10 und damit eine Vorkühlung des mit der Düse 8 ausgebrachten Wassers erreicht wird.

Die Fig. 5 zeigt in sehr vereinfachter Darstellung eine Düse 8a, die an dem unteren, sich trichterartig erweiternden Ende einen ringartigen Luftleitkörpers 22a ein kegelförmiges Verstäuberelement 25 aufweist, welches ebenso wie das Luftleitelement 22 achsgleich mit der Düsenachse DA angeord­ net ist und eine Zerstäuberfläche 25′ bildet. Im Inneren des Zerstäuberelementes 25 sind jeweils einander diametral an der Düsenachse DA gegenüber liegend Piezzo-Elemente 26 vorge­ sehen, und zwar derart, daß sich diese Piezzo-Elemente 26 einerseits gegen die Innenfläche des Zerstäuberelementes 25 abstützen und andererseits jeweils innenliegend gegeneinan­ der. Die einander bezogen auf die Düsenachse DA diametral gegenüberliegenden Piezzo-Elemente 26 werden jeweils gleich­ sinnig von dem Generator 21 angesteuert, so daß sich diese Piezzo-Elemente 26 bei Erzeugen der Schwingungen für das Zerstäuberelement 25 gegenseitig abstützen, ein Abstützele­ ment mit hoher Masse wie beispielsweise der Hilfsring 19 also nicht notwendig ist. Bei der Düse 18a wird das zu zerstäuben­ de bzw. verdüsende Wasser dem Zerstäuberelement 25 über ein Rohrstück 27 zugeführt, welches achsgleich mit der Düsenachse DA angeordnet ist und welches dem Zerstäuberelement 25 gegenüberliegend wenigstens eine Wasseraustrittsöffnung aufweist. An dem Rohrstück 27 sind dann beispielsweise auch das Zerstäuberelement 25 und/oder der Luftleitkörper 22a gehalten.

Die Erfindung wurde voranstehend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Es versteht sich, daß Änderungen sowie Abwand­ lungen möglich sind ohne daß dadurch der der Erfindung zugunde­ liegende Erfindungsgedanke verlassen wird. Weiterhin eignen sich die beschriebenen Düsen 8 und 8a nicht nur für die Verwendung bei Schneekanonen, sondern können auch für andere Anwendungen in besonders vorteilhafter Weise immer dann verwendet werden, wenn es darum geht, Wasser oder andere Flüssigkeiten in feinster, verteilter Form in einen Luft-und/oder Gasstrom einzubringen.

Das Gehäuse 2 der Schneekanone 1 ist in der üblichen Weise schwenkbar auf einem nicht dargestellten Fahrgestell ange­ ordnet, mit dem die Schneekanone an den jeweils gewünschten Ort bewegt werden kann.

Bezugszeichenliste

1 Schneekanone
2 Gehäuse
3, 4 Gehäuseseite
5 Gebläse
6, 7 Verteilerleitung
8, 8a Düse
9 Luftstrom
10 Düsenkörper
11 Steg
12 Anschlußstück
13 Ringkanal
14 Verbindungskanal
15 Zerstäuberelement
15′ Außenfläche
15′′ Innenfläche
15′′′ Flansch
16 Zerstäuber
17 Kanal
17′ Öffnung
18 Ringöffnung
19 Hilfsring
20 Piezzo-Element
21 Generator
22, 22a Luftleitkörper
23 Nebenströmkanal
25 Zerstäuberelement
25′ Zerstäuberfläche
26 Piezzo-Element
27 Rohrstück

Claims (17)

1. Düse zum feinverteilten Einbringen einer Flüssigkeit in einem Gas-, Luft und/oder Dampfstrom mit wenigstens einer Düsenöffnung zum Ausbringen der Flüssigkeit auf eine Zerstäuberfläche (15′, 25′) eines Zerstäuberelementes (15, 25), sowie mit einem elektromechanischem Wandler (20, 26) zur Erzeugung einer mechanischen Schwingung der Zerstäuberfläche (15′, 25′) im Ultraschall-Bereich, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäuberfläche in einem von einem Teilstrom des Gas-, Luft und/oder Dampfstromes durchströmten Kanal (23) angeordnet ist, so daß die an dem Zerstäuberelement (15) zerstäubte Flüssigkeit mit dem Nebenstrom vermischt in den Hauptstrom eingebracht wird.

2. Düsenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Zerstäuberelement (15, 25) oder an der Zerstäuberfläche (15′, 25′) wenigstens zwei elektro­ mechanische Wandler (20, 26) vorgesehen sind.

3. Düsenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der wenigstens eine elektromechanische Wandler ein Piezzo-Element (20, 26) ist.

4. Düsenanordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei elektromechani­ sche Wandler (20, 26) durch eine elektrische Steuer­ einrichtung oder einen elektrischen Generator (21) mit unterschiedlicher Frequenz und/oder Amplitude bzw. Leistung angesteuert werden.

5. Düsenanordnung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine elektromechani­ sche Wandler (20, 26) mit einem elektrischen Signal ansteuerbar ist, welches in der Leistung und/oder Amplitude und/oder Frequenz einstellbar ist.

6. Düsenanordnung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das Zerstäuberelement (15, 25) von einem bezogen auf eine Achse, vorzugsweise bezogen auf eine Düsenachse (DA) symmetrisch, beispielsweise rotationssymmetrisch ausgebildeten Element (15, 25) gebildet ist, und daß beidseitig von der Achse (DA) wenigstens ein elektro-mechanischer Wandler (20, 26) vorgesehen ist.

7. Düsenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung des Zerstäuberelementes (15, 25) als rotationssymmetrisches Element, beispielsweise als Ring oder Kegel die Zerstäuberfläche (15, 25) von der Außen­ fläche gebildet ist und sich mehrere elektromechanische Wandler (20, 26) an der Innenfläche des Zerstäuberele­ mentes befinden.

8. Düsenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromechanische Wandler (20, 26) sich an­ einander oder an einem Abstützelement, beispielsweise an einem Hilfsring (19) abstützen.

9. Düsenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstützelement (19) ein solches mit hoher Masse ist.

10. Düsenanordnung nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (23) für den Nebenstrom einen sich im Bereich des Zerstäuberelementes (15, 25) oder der Zerstäuberfläche (15′, 25′) vergrößernden Querschnitt aufweist.

11. Düsenanordnung nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des Kanals (23) für den Nebenstrom ein Wandelement oder Luftleitkörper (22, 22a) vorgesehen ist, welches bzw. welcher das Zerstäuberele­ ment oder ein dieses Zerstäuberelement aufweisenden oder tragenden Düsenkörper (10) umschließt.

12. Düsenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (23) für den Nebenstrom zwischen dem Düsenkörper (10) und dem Luftleitkörper (22) gebildet ist.

13. Düsenanordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Düsenkörper (10) ein Verteilerkanal (13, 14) gebildet ist, über den die Flüssigkeit mehrere Düsenöffnungen (17′) zugeführt wird.

14. Düsenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenkörper (10) ein bezogen auf eine Düsenachse (DA) rotationssymmetrisch ausgebildetes Element ist.

15. Düsenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Düsen­ öffnung (17′) an der Zerstäuberfläche (15′) vorgesehen ist.

16. Düsenanordnung nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Düsenöffnung der Zerstäuberfläche gegenüberliegend vorgesehen ist.

17. Düsenanordnung nach einem der Ansprüche 1-16, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Wasseraustrittsdüse (8, 8a) für eine Schneekanone (1) bildet.