DE69429354T2

DE69429354T2 - Sprühkopf und vefahren zur herstellung

Info

Publication number: DE69429354T2
Application number: DE69429354T
Authority: DE
Inventors: Rex. J. Harvey; Harold C. Simmons
Original assignee: Parker Hannifin Corp
Current assignee: Parker Hannifin Corp
Priority date: 1993-09-30
Filing date: 1994-09-28
Publication date: 2002-05-23
Anticipated expiration: 2014-09-29
Also published as: EP0720514A1; EP0970751A3; EP1369180A3; CA2173162C; DE69429354D1; DE69433370D1; DE69435006T2; EP1369180A2; JP3289913B2; US5951882A; EP0970751A2; CA2173162A1; EP1369180B1; US5435884A; EP0970751B1; EP0720514B1; DE69433370T2; DE69435006D1; WO1995009053A1; JPH09503159A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf allgemein Druckwirbel- oder Simplexsprühdüsen sowie Verfahren zur Herstellung derselben.
Es gibt zahlreiche Arten der Erzeugung von Sprühnebeln mittels Druckwirbel. Im allgemeinen erzeugen diese Düsen einen Wirbel in der zu versprühenden Flüssigkeit im Innern einer an die Austritts- oder Sprühöffnung angrenzenden Wirbelkammer. Patente, die solche Düsen zeigen, sind u.a. die US-Patente 4.613.079 und 4.134.606. Es ist jedoch weit einfacher, relativ große Sprühdüsen zur Erzeugung von Sprühnebeln mit relativ größeren Tröpfchen als relativ kleine Düsen zur Erzeugung von Sprühnebeln mit relativ feinen Tröpfchen zu konstruieren und herzustellen. Dies gilt insbesondere in Verbindung mit der Herstellung der Einlaßschlitze, Wirbelkammern und Austrittsöffnungen in kleinen Düsen.
Ein Verfahren zur Charakterisierung der Düsengröße basiert auf den Abmessungen der Austrittsöffnung. Kleine Düsenspitzen weisen Austrittsöffnungen von ca. 0,127 mm (0,005 Zoll) bis ca. 2,54 mm (0,1 Zoll) Durchmesser auf. Größere Düsen weisen größere Austrittsöffnungen auf. Ein weiteres Verfahren ist die Verwendung der "Durchflußzahl", die die Drehflußgeschwindigkeit der Flüssigkeit mit dem angewandten Einlaßdruck mittels folgender Gleichung in Beziehung setzt:
Durchflußzahl = Durchflußgeschwindigkeit/(angewandter Druck)
Die in der Industrie allgemein verwendeten Einheiten sind Massendurchfluß in Kilogramm/h (pounds/hour) und der angewandte Druck in Kilogramm/cm² (pounds/square centimeter).
Eine Sprühdüse mit einer Durchflußmenge von 4,5359 kg/h (10 1b./hr.) bei 7,031 kg/cm² (100 psi) weist somit bei den metrischen eine Durchflußzahl von 1,7106 (sonst 1,0) auf. Bei einer bestimmten Flüssigkeit, zum Beispiel Flugkerosin- Kraftstoff, ist die Durchflußzahl über einen breiten Bereich von Durchflußmengen im wesentlichen konstant.
Eine Sprühdüse mit einer Durchflußzahl von 1,0 erfordert typischerweise einen Wirbelkammerdurchmesser von 1,905 mm (0,075 Zoll) und einen. Austrittsöffnungsdurchmesser von 0,3048 mm (0,012 Zoll) sowie 2 Einlaßschlitze von 12,9 mm² (0,020 Quadratzoll) oder 4 Einlaßschlitze von 9,03 mm² (0,014 Quadratzoll). Dies entspricht der unteren Grenze der Abmessungen, die mit herkömmlichen Bearbeitungsverfahren erzielbar sind. Es besteht ein Bedarf für Sprühdüsen mit Durchflußzahlen unter 1,0 oder sogar nur 0,1, welche sogar noch kleinere Abmessungen erfordern.
Bei der Herstellung von Öffnungen und Flächen kleiner Düsen ist es oft erforderlich, Präzisions-Juwelierwerkzeuge und -Mikroskope zu benutzen. Die Herstellung vieler dieser Merkmale war bisher nur mit Hilfe relativ kleinvolumiger Werkzeugmaschinen- und Handwerkzeugoperationen in Verbindung mit Manipulations- und Prüftechniken mit starker Vergrößerung möglich. Es handelt sich somit um einen arbeitsintensiven Prozeß mit hoher Ausschuß- oder Verschrottungsrate. Die Genauigkeit, mit der die Abmessungen einer Düse der Durchflußzahl 1,0 hergestellt werden können, begrenzt die Leistungsgleichmäßigkeit angeblich identischer Düsen. Weist zum Beispiel die Austrittsöffnung einen Nenndurchmesser von 0,254 mm (0,010 Zoll) auf, führt eine Ungenauigkeit von nur 0,0127 mm (0,0005 Zoll) (was in etwa der beste Wert ist, der mit typischen Fertigungstechniken erzielbar ist) zu einer Schwankung in der Durchflußgeschwindigkeit von 10% gegenüber dem Nennwert. Einige Anwendungen von Sprühdüsen (z.B. Flugzeug- Gasturbinenmotoren) machen es erforderlich, die Durchflußgeschwindigkeiten innerhalb von Grenzwerten von ±2% zu halten. Es besteht eindeutig Bedarf für verbesserte Herstellungsverfahren, die größere Genauigkeit gewährleisten.
Ein weiterer Faktor von erheblicher Bedeutung ist die Notwendigkeit, Konzentrizität zwischen Austrittsöffnung und Wirbelkammer zu erzielen, und auch, die Einlaßschlitze im Verhältnis zur Wirbelkammerachse symmetrisch anzuordnen. Dies beinhaltet das Problem, die Werkzeuge und das Werkstück unverrückbar an ihrem Platz zu halten, was eine weitere Reihe von Toleranzen oder potentiellen Ungenauigkeiten ins Spiel bringt. Zu beachten ist auch, daß es bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten und dem bekannten Stand der Technik entsprechenden Düsenkonfiguration nicht möglich ist, die Einlaßschlitze so zu bearbeiten, daß sie wirklich tangential zur Außenkante der Wirbelkammer verlaufen.
Es ist bekannt, daß durch die Erzeugung eines Wirbels oder Dralls in der aus einer Austrittsöffnung zu versprühenden Flüssigkeit feinere Tröpfchengrößen zustande kommen als mittels eines einfachen Strahls. Dies ist die Folge der Turbulenz und tangentialer Scherkräfte, denen der dünne Flüssigkeitsfilm durch seine Wirbelbewegung beim Austritt aus der Düsenöffnung ausgesetzt ist. Eine schnellere Verwirbelung führt im allgemeinen zu feineren Tröpfchen.
Feinere Tröpfchengrößen sind bei einer Vielzahl von Sprühanwendungen erwünscht. Bei der zur Verbrennung von Brenn- und Kraftstoffen angewandten Zerstäubung beispielsweise verbessern feine Tröpfchengrößen den Wirkungsgrad der Verbrennung und reduzieren die Erzeugung unerwünschter Luftschadstoffe.
Ein weiterer Vorteil eines verbesserten Wirkungsgrads bei der Tröpfchenbildung besteht darin, daß die gewünschte Tröpfchengröße durch Beaufschlagung der Flüssigkeit mit einem geringeren Druck herbeigeführt werden kann. Bei einem Verbrennungsmotor erlaubt dies eine geringere Druckbeaufschlagung des Kraftstoffs und führt zu einem entzündbaren Düsenstrahl. Dies bringt zum Beispiel bei einem Flugzeug-Gasturbinenmotor viele Vorteile mit sich, bei dem Sprühdüsen zur Verbrennung von Flugkerosin zur Anwendung kommen und der so einfach und leicht wie möglich sein muß.
In den Fig. 1 und 2 ist eine entsprechend dem bisher bekannten Stand der Technik konstruierte Sprühdüse 11 dargestellt. Die Düse 11 ist eine relativ kleine Düse mit einem Austritts- und Sprühöffnungsdurchmesser von ca. 0,508 mm (0,020 Zoll). Sprühöffnung 13 und Düse 11 sind von einer für die Verwendung in einem Flugzeug-Gasturbinenmotor geeigneten Art. Die durch diese Düse versprühte Flüssigkeit wäre im typischen Fall Flugkerosin.
Die Sprühöffnung 13 ist im kegelförmigen Ende 15 eines Düsengehäuses 17 ausgebildet. Das Innere 19 des Gehäuses 17 ist allgemein zylinderförmig und besitzt eine konische Öffnung 21, die in der Sprühöffnung 13 mündet. In der konischen Öffnung 21 wird ein Wirbelstück 25 durch eine Feder 23 festgehalten.
Das Wirbelstück 25 besitzt am oberen Ende eine ringförmige Wand 27, die darin eine zylindrische Wirbelkammer 29 definiert. Die ringförmige Wand 27 berührt die Oberfläche der konischen Öffnung 21 in der Weise, daß zwischen dem Wirbelkammerhohlraum 29 und der Sprühöffnung 13 ein Austrittskonus 31 gebildet wird. Die Einlaßöffnungen zu der Wirbelkammer 29 sind in Form von 4 Schlitzen 33, 34, 35 und 36 in der ringförmigen Wand 27 dargestellt, obgleich auch mehr oder weniger Schlitze Verwendung finden können. Diese Schlitze 33, 34, 35 und 36 sind so ausgerichtet, daß die in den Wirbelkammerhohlraum 29 einströmende Flüssigkeit eine Bewegung in der Weise vollzieht, wie sie in Fig. 2 durch die Pfeile 37, 38, 39 und 40 dargestellt ist. Flüssigkeit tritt aus der Wirbelkammer durch den Austrittskonus 31 und wiederum durch die Sprühöffnung 13 aus.
Zur Herstellung der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Düse nach dem bekannten Stand der Technik müssen sehr klein bemessene Schneid- und Umformwerkzeuge verwendet werden. Selbst bei sehr kleinen Werkzeugen ist es äußerst schwierig, die Düse und deren Teile genau auszuformen. So gestaltet sich beispielsweise das Ausschneiden der Sprühöffnung 13 sehr schwierig, sowohl wegen der geringen Größe der Öffnung als auch wegen der Notwendigkeit, die Öffnung an der Spitze der konischen Öffnung 21 genau zu zentrieren.
Ebenfalls schwierig ist die Herstellung des Wirbelstücks 25, besonders der ringförmigen Wand 27 und der Schlitze 33, 34, 35 und 36. Die ringförmige Wand 27 muß die mit der konischen Öffnung 21 in Kontakt kommende Kante genau treffen und abdichten. Dies kann das Paßläppen beider Oberflächen erfordern. Die Schlitze 33, 34, 35 und 36 erfordern sehr empfindliche Werkzeuge und häufig Handarbeit unter dem Mikroskop, damit sie in der richtigen Größe und Position ausgebildet werden, und auch, um Grat zu beseitigen, der den Fluß stören könnte.
Nach dem bekannten Stand der Technik, zum Beispiel gemäß dem britischen Patent Nr. 641 147, sind auch andere Düsenkonstruktionen bekannt. Dieses Patent zeigt eine Düse, bei der alle wichtigen Merkmale der Wirbelkammer in ein einziges Metallteil eingebaut sind und wodurch gewährleistet ist, daß die relativen Positionen der Merkmale, zum Beispiel die Konzentrizität der Austrittsöffnung mit der Bohrung der Wirbelkammer und die tangentiale Anordnung der Einlaßdurchtritte, unveränderbar sind, was nicht der Fall wäre, wenn die Düse mit separaten Teilen konstruiert wäre. Diese Erfindung gewährleistet jedoch nicht, daß alle Düsen identisch sein werden, da diese einzeln hergestellt werden und jede Abmessung infolge der Bearbeitungstoleranzen Schwankungen unterworfen ist.
Die europäische Patentanmeldung Nr. 0 498 931 A1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung von Sprühdüsen durch das Ätzen beider Seiten einer Siliziumplatte, obgleich die Düse sich zur Erzeugung des Sprühnebels keiner Flüssigkeitsverwirbelung bedient. Sie zeigt auch die Herstellung von zwei Düsen in einer Siliziumplatte zwecks Erzeugung zweier Sprühnebel nebeneinander für einen bestimmten Verwendungszweck. Sie weist jedoch kein Merkmal auf, aufgrund dessen die beiden Düsen für den Gebrauch als Einzeldüsen voneinander getrennt werden könnten.
Viele Gasturbinenmotoren arbeiten mit einer großen Anzahl (typischerweise 30) Kraftstoffdüsen, deren Nenn-Durchflußleistung bei einem bestimmten Kraftstoff-Förderdruck gleich ist. Es ist allgemein bekannt, daß Schwankungen im Kraftstoffdurchfluß von Düse zu Düse in einem bestimmten Motor Schwankungen in der Gastemperatur am Turbineneintritt bewirken können, wodurch es zu schweren Schäden kommen kann; aus diesem Grund müssen die Düsen Testanforderungen genügen, die nur 1% oder 2% Schwankung im Durchfluß zulassen, was bei Einzelherstellung der Düsen äußerst schwer erreichbar ist, besonders wenn es sich um eine niedrige Durchflußzahl handelt. Deshalb besteht Bedarf für ein Verfahren zur gleichzeitigen Herstellung großer Anzahlen von Düsen mittels eines Prozesses, der zu identischen Abmessungen bei den kritischen Teilen führt.
Die Erfindung liegt als Aufgabe ein Verfahren zur Ausbildung einer Mehrzahl von Scheiben in einer einzelnen Platte von ätzbarem Material zugrunde, wobei jede Scheibe für die Anwendung in einer Zerstäuberdüse geeignet ist und von der genannten Platte getrennt werden kann und wobei das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist: An jeder von einer Mehrzahl Stellen auf der genannten Platte das Ätzen einer Scheibe, welche aufweist eine flache, schalenförmige Wirbelkammer, eine ringförmige Aussparung, ein oder mehrere nichtradiale Zuführschlitze, die die Aussparung der Wirbelkammer und eine zur Wirbelkammer koaxial angeordnete Austrittsöffnung miteinander verbinden, wobei jede der genannten Scheiben so ausgebildet ist, daß in der genannten Wirbelkammer beim Gebrauch ein Wirbel entsteht und der genannten Aussparung zugeführte Flüssigkeit aus der genannten Düse als Sprühnebel austritt, und das Ätzen eines oder mehrerer Schlitze um jede der genannten Scheiben zur Ausbildung einer oder mehrerer herausbrechbarer Brücken, die jede einzelne Scheibe mit der Platte verbinden.
Der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zugrunde, welches die Herstellung einer Sprühdüse zur Erzeugung eines feinen Sprühnebels und die gleichzeitige Herstellung einer großen Anzahl identischer Düsen aus einer einzigen Metallplatte ermöglicht. Auf diese Weise werden die Vorteile jeder der bisher bekannten Erfindungen mit der bekannten Genauigkeit und Reproduzierbarkeit von Fotoätztechniken in einem Verfahren kombiniert, welches große Anzahlen (typischerweise 100) identischer Düsen bei geringen Kosten produziert. Das Verfahren eignet sich besonders für kleine Düsen, bei denen es nicht möglich ist, die Abmessungen der Öffnungen und Durchtritte durch Bearbeitung einzelner Düsen mit der erforderlichen Genauigkeit zu kontrollieren.
Die Öffnung, die Wirbelkammer und die Zuführschlitze weisen jeweils eine abgerundete Ätzcharakteristik auf. Diese glatte, fließende Form eignet sich ideal für die Förderung von Flüssigkeiten, die wirksame Erzeugung eines Wirbels in der schalenförmigen Wirbelkammer und die Erzeugung eines Sprühnebels beim Austritt der Flüssigkeit an der Austrittsöffnung. Die durch das Ätzen erzeugte Austrittsöffnungsform kann ein wünschenswert niedriges Verhältnis zwischen Länge und Durchmesser aufweisen. Dies bewirkt auch eine verbesserte Zerstäubung.
In der ersten Seite des dünnen Materialabschnitts kann auch ein Zuführring ausgebildet sein, der rund um die Wirbelkammer verläuft und mit jedem einzelnen Zuführschlitz und der Zuführleitung über Flüssigkeit kommuniziert. Der Zuführring kann somit den Zufluß zu jedem einzelnen Zuführschlitz gleichmäßiger verteilen und die Gleichmäßigkeit des Sprühnebels verbessern.
Die Düse weist weiterhin ein Element auf, welches zur ersten Seite des dünnen Materialabschnitts paßt und damit den Zuführring, die Zuführschlitze und die Wirbelkammer in geschlossene Durchtritte umwandelt. Dieses Element kann auch als Halterung einer darin untergebrachten Zuführleitung dienen, um Flüssigkeit durch die Halterung zu den Zuführschlitzen zu befördern.
Der dünne Materialabschnitt weist vorzugsweise eine aus Edelstahl geformte Scheibe auf. Dieses Material kann in wünschenswert kleinen Scheiben ausgebildet sein und eignet sich für das Ätzen in der beschriebenen Form. Es ist hart genug, um eine lange Lebensdauer zu gewährleisten, und ist in Verbrennungsumgebung korrosionsbeständig.
Zu den erfindungsgemäßen Merkmalen gehört auch ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Zerstäubungsdüse. Dieses Verfahren umfaßt die Schritte des Einätzens einer Wirbelkammer in einen Teil der Düse. Die eingeätzte Wirbelkammer hat eine solche Form, daß sich zu versprühende Flüssigkeit darin wirbelartig zur Mitte der Wirbelkammer hin bewegen kann. Dieses Verfahren umfaßt auch das Ätzen einer Sprühöffnung, die sich so durch die Mitte der Wirbelkammer erstreckt, daß sich zu versprühende Flüssigkeit von der Wirbelkammer zur Sprühöffnung bewegen und dann die Sprühöffnung in einem kegelförmigen dünnen Film verlassen kann, der schon bald zu einem Nebel aus feinen Tröpfchen zerstäubt wird.
Dieses Verfahren kann auch den Schritt des Ätzens eines oder mehrerer Zuführschlitze umfassen, die sich nicht-radial in die Wirbelkammer hinein erstrecken. Die Schlitze werden zu Durchtritten geätzt, durch die Flüssigkeit so in die Wirbelkammer eingeleitet wird, daß eine Wirbelbewegung entsteht.
Die Ätzschritte finden vorzugsweise in einem dünnen Abschnitt eines ätzbaren, harten, starken Materials statt. Die Form des geätzten Düsenteils ist vorzugsweise diejenige einer dünnen Scheibe mit einer ersten und einer zweiten Seite. Die Schritte des Ätzens der Wirbelkammer und der Zuführschlitze können das Einätzen in die erste Seite umfassen und der Schritt des Ätzens der Sprühöffnung umfaßt das Ätzen der Öffnung durch die zweite Seite zur Wirbelkammer. Diese beiden Schritte können vorzugsweise gleichzeitig stattfinden.
Dieses Verfahren umfaßt auch die Ausbildung eines Einlasses und/oder einer Halterung, die zur Scheibe passen kann. In der Halterung ist eine Zuführleitung zur Förderung der zu versprühenden Flüssigkeit zu den Zuführschlitzen der Scheibe ausgebildet. Die erste Seite der Scheibe ist dicht mit dem Einlaß oder der Halterung verbunden, um die Zuführschlitze und die Wirbelkammer zu umschließen und die Zuführleitung an die Zuführschlitze anzuschließen.
Dieses Verfahren kann auch die Ausbildung eines Zuführrings auf der ersten Seite der Scheibe, die an die Scheibenperipherie angrenzt, einschließen. Dieser Ring hat eine Konfiguration, die die Wirbelkammer umgibt und die die Zuführschlitze mit der Zuführleitung der Halterung zur Förderung von Flüssigkeiten zwischen diesen verbindet.
Zu den erfindungsgemäßen Merkmalen gehört auch ein Verfahren zur Ausbildung einer Mehrzahl von Zerstäubungsdüsen. Dieses Verfahren umfaßt das Ätzen einer Mehrzahl der geätzten Düsen mit den geätzten Wirbelkammern und Sprühöffnungen gemäß obiger Beschreibung in einem dünnen Materialabschnitt und die anschließende Unterteilung des dünnen Materialabschnitts in separate Sprühdüsen, in denen sich jeweils eine der Sprühkammern und der Sprühöffnungen befindet. Dieses Verfahren kann das Ätzen eines Trennschlitzes im dünnen Abschnitt zur einfachen Unterteilung der separaten Sprühdüsen einschließen. Der Trennschlitz erstreckt sich durch den dünnen Materialabschnitt rund um jede Sprühdüse, ausgenommen eine oder mehrere relativ dünne Haltebrücken.
Die Schritte des Ätzens der Zuführschlitze, des Zuführrings und der übrigen Zuführdurchtritte können bei den Verfahren zur Ausbildung der Mehrzahl von Sprühdüsen in dem dünnen Materialabschnitt gleichzeitig vonstatten gehen.
Somit bezieht sich die Erfindung auf eine Düse, die in Leistung und Fertigung effizienter ist und die sich insbesondere für Druckwirbeldüsen mit niedrigen Durchflußzahlen eignet.
Weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung hervor, in der mit Bezug auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele erläutert werden. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer Düse nach dem bekannten Stand der Technik.
Fig. 2 einen Grundriß eines Stücks der in Fig. 1 dargestellten Düse nach dem bekannten Stand der Technik.
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer entsprechend der Erfindung konstruierten Düse.
Fig. 4 eine Draufsicht einer entsprechend der Erfindung konstruierten Düse.
Fig. 5 eine Querschnittsansicht der in Fig. 4 dargestellten Düse entlang den in Fig. 4 gezeichneten Linien.
Fig. 6 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils der in Fig. 5 dargestellten Düse entlang den gleichen Linien wie in Fig. 5.
Fig. 7 einen Detail-Grundriß einer einzelnen Düse, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in einer dünnen Materialplatte ausgebildet ist.
Fig. 8 einen Grundriß einer Mehrzahl von Düsen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in einer dünnen Materialplatte ausgebildet sind.
In den Fig. 3 bis 6 ist eine entsprechend der Erfindung ausgebildete Düse 42 dargestellt. Wie bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Düse 11 nach dem bekannten Stand der Technik, ist auch die Düse 42 relativ klein. Ein Anwendungsbeispiel für eine solch kleine Düse ist eine Sprühdüse in einem Flugzeug-Gasturbinenmotor. Weitere Anwendungen, für die diese Düse besonders geeignet ist, sind u.a. Brenner für flüssigen Kohlenwasserstoff. Die Düse 42 besitzt eine Sprühöffnung 44 mit einem Durchmesser von ca. 0,432 mm (0,017 Zoll).
Die Düse 42 enthält eine Scheibe 46, ein Einlaßstück 40 und eine Scheibenhalterung 48. Die Scheibe 46 besitzt eine flache Oberseite 50 und eine flache Unterseite 52. Die Halterung 48 ist normalerweise kreisförmig, kann jedoch jede beliebige Form mit einer flachen Oberseite 54 aufweisen, die zu der flachen Oberseite 50 der Scheibe 46 paßt. Der Durchmesser der Scheibe 46 ist etwa der gleiche wie der Innendurchmesser der Halterung 48. Zusammen bilden die Scheibe 46, das Einlaßstück 40 und die Halterung 48 eine zylindrische Düse mit der Sprühöffnung 44 oben in der Mitte der zylindrischen Düseneinheit.
In der Unterseite 52 der Scheibe 46 sind eine Wirbelkammer 56, Einlaßschlitze 58 bis 64 und ein Zuführring 66 ausgebildet. Wie weiter unten näher beschrieben, können diese Leer- oder Hohlräume zusammen mit der Sprühöffnung 44 in der Scheibe durch Ätzen ausgebildet werden. Durch das Ätzen erhalten diese Leer- oder Hohlräume gleichmäßig abgerundete, gratfreie Kanten, was zu einem effizienten Flüssigkeitsstrom führt.
Die Wirbelkammer 56 besitzt Schalenform und ist in der Mitte der Scheibe 46 ausgebildet. Unter Schalenform ist zu verstehen, daß die Kammer rund ist und daß die Kammerseiten mit einer ungefähr vertikalen Außenwand 56 und einer ungefähr horizontalen Innenwand 70 leicht gekrümmt sind. Die Sprühöffnung 44 erstreckt sich durch die Oberseite 50 der Scheibe bis zur Mitte der Wirbelkammer 56.
Die Wirbelkammer 56 weist an der breitesten Stelle einen Durchmesser von ca. 1,524 mm (0,060 Zoll) auf. An der tiefsten Stelle ist sie ca. 0,33 mm (0,013 Zoll) tief. Größe und Form der Wirbelkammer werden teilweise durch die Größe der Sprühdüse bestimmt. Das Verhältnis zwischen dem Durchmesser der Wirbelkammer und dem Durchmesser der Sprühöffnung liegt vorzugsweise in dem Bereich von ca. 2 : 1 bis ca. 10 : 1. Dieses Verhältnis bestimmt weitgehend die Beschleunigung der Flüssigkeit bei ihrer Bewegung zu der Sprühöffnung 44 hin. Um die Reibung jedoch möglichst gering zu halten, ist es vorzuziehen, daß dieses Verhältnis im Bereich von ca. 2 : 1 bis ca. 5 : 1 liegt.
Die Abmessungen der Sprühöffnung 44 sind für den Sprühwirkungsgrad ebenfalls wichtig. Die Länge der Sprühöffnung 44 (der Abstand von der Innenwand 70 an der Öffnung zur Fläche 50 an der Öffnung) beträgt ca. 0,1524 mm (0,006 Zoll). Somit ist das Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Öffnung 44 etwa 1 : 3. Kleinere Verhältnisse Länge/Durchmesser verbessern den Wirkungsgrad der Zerstäubung durch Verminderung der Reibungsverluste. Die erfindungsgemäße Konfiguration der Wirbelkammer und der Sprühöffnung ermöglicht die Erzielung eines kleinen Verhältnisses Länge/Durchmesser.
Der Durchmesser der Sprühöffnung 44 liegt vorzugsweise im Bereich von ca. 0,0508 mm (0,002 Zoll) bis ca. 2,54 mm (0,100 Zoll). Dieser Größenbereich ist für die erfindungsgemäße Düsenkonfiguration und die Ätztechniken geeignet.
Um den Wirbelstrom in der Wirbelkammer 56 auszulösen, sind die Einlaßschlitze 58, 60, 62 und 64 in der Scheibe so ausgebildet, daß sie sich nicht-radial von der Wirbelkammer aus erstrecken. Natürlich erstreckt sich jeder Schlitz in der gleichen Rotationsrichtung, so daß die Verwirbelung in der Wirbelkammer in der gleichen Richtung bewirkt wird. Bei einigen Anwendungen kann es erwünscht sein, daß sich die Einlaßschlitze 58, 60, 62 und 64 in Richtungen erstrecken, die nicht tangential sind, die jedoch weiterhin nicht-radial sind, so daß in der Wirbelkammer 56 eine geringere Wirbelbewegung der Flüssigkeit hervorgerufen wird. So könnte es beispielsweise erwünscht sein, die Wirbelgeschwindigkeit zu verringern, um einen kleineren Sprühwinkel zu erzielen.
Die Schlitze 58 bis 64 werden ebenfalls durch Ätzen ausgebildet und haben daher die Form einer Mulde mit abgerundeten Wänden. Diese abgerundete Form wird im Hinblick auf einen effizienten Flüssigkeitsstrom bei der Förderung einer Flüssigkeit zur Wirbelkammer 56 bevorzugt. Außerdem bewirkt diese Form in Kombination mit den abgerundeten Wänden der Wirbelkammer einen effizienten Flüssigkeitsstrom am Übergang zwischen den Schlitzen 58 bis 64 und der Wirbelkammer 56.
Die Wirbelkammer und die Schlitze 58 bis 64 sind von dem Zuführring 66 umgeben. Der Zuführring 66 besitzt eine kreisförmige Außenwand 72 und eine kreisförmige Innenwand 74, die durch die Schlitze 58 bis 64 unterbrochen werden. Jede der kreisförmigen Wände 72 und 74 sowie der Zuführring 66 weisen vorzugsweise die gleiche Mitte oder Achse wie die Öffnung 44- und die Wirbelkammer 56 auf.
Wie bei den Schlitzen 58 bis 64 besitzt der Ring 66 die Form einer Mulde mit abgerundeten Wänden. Er hat etwa die gleiche Tiefe wie die Schlitze 58 bis 64 und der an die Schlitze angrenzende Teil der Wirbelkammer 56. Natürlich ist es für die Funktion des Rings keine Voraussetzung, daß er einen vollständigen Kreis beschreibt. Er könnte die Form eines unterbrochenen Rings oder jede andere Zuführdurchtrittsform haben.
Vor dem Ätzen weist die Scheibe 46 eine flache Unterseite 52 auf, von der nach dem Ätzen Teile zurückbleiben. Diese Teile umfassen eine ringförmige Umfangswand 76 und vier Inselflächen 78, 80, 82 und 84. Die ringförmige Wand 76 umschließt den Ring 66. Die Inselflächen 78 bis 84 liegen zwischen der Wirbelkammer 56, den Schlitzen 58 bis 64 und dem Zuführring 66. Diese Flächen sind dicht mit dem Einlaßstück 40 verbunden und schließen somit auf dichte Weise den Flüssigkeitsstrom auf seinem Weg vom Ring 66 zu den Schlitzen 58 bis 64 und zur Wirbelkammer 56 ein.
Das Einlaßstück 40 ist eine flache Scheibe mit einem oder mehreren Einlaßdurchtritten 86 und 88, die sich durch diese erstrecken. Die Einlaßdurchtritte 86 und 88 stehen mit dem Zuführring 66 in Verbindung. Sie ermöglichen einen Flüssigkeitsstrom durch das Einlaßstück 40 zum Zuführring 66, der wiederum den Durchfluß zu den Schlitzen 58 bis 64 erlaubt.
Die Halterung 48 weist einen zu dem Einlaßstück 40 führenden Innendurchtritt 45 auf. Dieser Innendurchtritt 45 steht mit den Einlaßdurchtritten 86 und 88 in Verbindung. Durch diesen Innendurchtritt 45 kann der Düse 42 Flüssigkeit zugeführt werden.
Natürlich ist es möglich, die Halterung 48 in vielen anderen Formen als Zylinderform auszubilden. Formen, die andere Düsenfunktionen erfüllen oder anderen Zwecken dienen, sind möglich, da die einzigen notwendigen Funktionen der Halterung darin bestehen, den Einlaß 40 und der Scheibe 46 Flüssigkeit zuzuführen und diese dicht miteinander zu verbinden.
Die Halterung 48 kann durch Hochtemperaturhartlöten mit der Scheibe 46 verbunden werden. Dadurch kann die flache Seite 50 mit der flachen Seite 54 so verbunden werden, daß die Flüssigkeitsdurchtritte in der Düse 42 abgedichtet werden. Herkömmliche Hartlötmaterialien und -verfahren wie Pasten- oder Folienlöten oder Nickelbasislöten können zur Herstellung dieser Verbindung verwendet werden. Es ist auch möglich, die Scheibe 46 mit der Halterung 48 durch eine mechanische Verbindung oder durch Schweißen oder mit anderen Mitteln zu verbinden.
Die Scheibe 46 wird vorzugsweise aus einem starken, harten, erosionsbeständigen, ätzfähigen Material ausgebildet. Zu diesen Materialien gehören Metalle, Keramik, Polymere und Verbundwerkstoffe. Ein bevorzugtes Material ist Edelstahl. Edelstahl ist korrosionsbeständig und leicht ätzbar. Edelstahl 440 C ist ein sehr harter Edelstahl, der für die Scheibe 46 und das Einlaßstück 40 geeignet ist.
Die Erfindung bezieht sich zusätzlich zu der oben beschriebenen, verbesserten Düsenleistung auf ein weitgehend verbessertes Verfahren zur Herstellung der Düse 42. Dieses verbesserte Verfahren umfaßt die Herstellung der Düse durch Ätzen anstelle herkömmlicher Bearbeitung oder Bearbeitung mit Schneidwerkzeugen. Dieses Verfahren ist infolge der einzigartigen Konfiguration der Düse möglich und die einzigartige Konfiguration der Düse ist wegen des Herstellungsverfahrens möglich.
Das verbesserte Verfahren zur Herstellung der Düse 42 umfaßt die Herstellung der Wirbelkammer 56 und der Sprühöffnung 44 durch Einätzen in einen Teil der Düse. Form und Lage der Wirbelkammer 56 und der Öffnung 44 sind oben beschrieben. Außerdem kann das Verfahren das Ätzen der Schlitze 58 bis 64 und des Zuführrings 66 sowie aller sonstigen gewünschten Durchtritte einschließen.
Während die obige Konfiguration die Wirbelkammer auf einer Seite einer Scheibe zeigt und sich die Austrittsöffnung durch die andere Seite der Scheibe erstreckt, besteht die Möglichkeit, die Wirbelkammer in ein erstes Stück und die Öffnung in ein anderes Stück einzuätzen. Obwohl davon ausgegangen wird, daß diese Düsenkonfiguration bei der Erzeugung eines Sprühnebels etwas weniger wirksam wäre, stellt das Verfahren zur Ausbildung der Düse immer noch eine erhebliche Verbesserung gegenüber den Zerspanungstechniken nach dem bekannten Stand der Technik dar.
Das Verfahren des Ätzens mittels chemischer oder elektrochemischer oder sonstiger Techniken ist allgemein bekannt. Ein Beispiel eines geeigneten Ätzprozesses für Edelstahl ist chemisches Ätzen nach dem Fotoresist-Verfahren und mit einem Eisenchlorid-Ätzmittel. Nachstehendes Beispiel beschreibt ein solches Ätzverfahren.
Von den beiden Abmessungsformen, die auf beiden Seiten des Endprodukts gewünscht werden, werden zwei dünne, opake Schablonen hergestellt. An den Stellen, wo geätzt werden soll, werden Ausschnitte angebracht. Diese Schablonen können zunächst in vielfacher Übergröße ausgeformt werden, so daß in die Formen sehr feine Details und ein hohes Maß an Genauigkeit eingebaut werden können. Diese Ausschnitte erlauben es aufgrund ihrer Größe, daß das Ätzmittel die Resist-Abdeckung hinterschneidet und die Größe des geätzten Merkmals erhöht wird.
Dann wird durch fotografische Verkleinerung der Schablone auf die tatsächliche Größe des Teils und fotografische Duplizierung derselben an so vielen Stellen, wie es auf der Maske gewünscht wird, eine Polymer- (oder Glas-)Produktionsmaske hergestellt. Dies ergibt ein "Negativ" der gewünschten Form, d.h. es ist dort opak, wo geätzt werden soll. Durch diesen Prozeß wird die Konstruktionsform genau dupliziert und auf den Maskenplatten an genau festgelegte Stellen plaziert. Vordere und hintere Masken werden optisch sorgfältig ausgerichtet und zusammen entlang einer Kante befestigt. Ein weiteres Verfahren zur Herstellung dieser Masken ist computergestütztes Entwerfen und Präzisions-Laseraufzeichnung.
Eine sehr flache und sehr glatte Metallplatte wird sorgfältig gereinigt. Zuweilen schließt dieser Reinigungsvorgang ein "Vorätzen" ein, d.h. die Platte wird in die Ätzkammer gelegt und beide Seiten der Platte werden kurzzeitig mit Ätzmittel besprüht, um eventuell vorhandene Verunreinigungen von der Oberfläche zu entfernen, indem ein kleiner Betrag der Plattenoberfläche weggeätzt wird. Dies verbessert die Adhäsion des Fotoresistlacks auf zweierlei Weise, einmal durch Erzeugung einer saubereren Oberfläche und zum anderen durch Erzeugung einer "klebrigen" Oberfläche mit scharfen Körnern und hinterschnittenen Korngrenzen. Das "verschmierte" Metall an der Oberfläche des Walzblechs wird somit entfernt.
Nunmehr werden beide Oberflächen der Metallplatte mit einer dünnen Schicht Fotoresistmaterial versehen. Dies geschieht gewöhnlich auf eine von zwei Arten. Das Metall kann in einen flüssigen Fotoresistlack eingetaucht werden, der dann gründlich getrocknet wird. Oder aber ein dünner Fotoresist- Kunststoffilm kann auf beide Seiten der Metallplatte mittels Rolle aufgetragen werden. Die Flüssigkeit hat den Vorteil, sehr dünn zu sein, und der Film hat den Vorteil, sehr gleichmäßig zu sein.
Diese Metallplatte, die jetzt auf beiden Oberflächen mit Fotoresistlack versehen ist, wird zwischen die beiden sorgfältig ausgerichteten Platten der Maske gelegt und die gesamte Sandwich-Anordnung wird mit Hilfe eines Vakuumrahmens sehr fest zusammengepreßt, der eine transparente Platte auf den Stapel heruntersaugt und völlig starr an seinem Platz festhält. Jetzt wird eine starke Lichtquelle auf die Ober- und die Unterseite der Sandwich-Anordnung gerichtet. Dieses Licht aktiviert (verfestigt) den Fotoresistlack an den Stellen, wo es beim Durchtritt durch die transparenten Teile der Maske darauf trifft. Die opaken Teile der Maske (wo geätzt werden soll) unterbinden das Eindringen des Lichts und daher wird der Fotoresistlack nicht aktiviert.
Die Platte wird dann aus der Maske entfernt und zur Beseitigung des gesamten Fotoresistlacks, der vom Licht nicht verfestigt wurde, in ein geeignetes Lösungsmittel getaucht. Dadurch liegt die ungeschützte Oberfläche des Metalls in den Bereichen, die geätzt werden sollen, frei. Die Bereiche, die nicht geätzt werden sollen, bleiben weiterhin von dem verfestigten Fotoresistmaterial bedeckt.
Die Platte wird dann in die Ätzkammer gelegt und das Ätzmittel wird sofort gleichmäßig auf beide Seiten (Ober- und Unterseite) gesprüht. Die Platte wird in periodischen Abständen herausgenommen und daraufhin überprüft, wie weit der Ätzvorgang fortgeschritten ist. Dies geschieht gewöhnlich durch Messung des Durchmessers der Löcher, die vollständig durch die Metallplatte hindurch verlaufen. Der Ätzvorgang wird gestoppt, wenn diese Löcher den gewünschten Durchmesser erreichen. Oder die Teile können, wenn gewünscht, so ausgelegt werden, daß sie nach Fertigstellung aus der Mutterplatte herausfallen. Immer wenn die Platte aus der Kammer entnommen wird, wird sie geringfügig gedreht, so daß sich der Ätzprozeß möglichst gleichmäßig auf der gesamten Plattenoberfläche vollzieht. Das Ätzmittel, welches gewöhnlich für übliche Werkstoffe wie Edelstahl der Serie 400 verwendet wird, ist in erster Linie Eisenchlorid. Es ist relativ harmlos, wenn es auf die Haut gelangt.
Wenn der Ätzvorgang beendet ist, wird der erstarrte Fotoresistlack von der Oberfläche des Metalls durch Schrubben mit einem anderen Lösungsmittel entfernt. Es ist davon auszugehen, daß die vorstehende Beschreibung des Herstellungsprozesses auf eine einzelne Düse oder eine Reihe gleichzeitig aus einer einzelnen Platte hergestellter Düsen anwendbar ist. Die Platte hat im typischen Fall zur leichteren Fertigung und Handhabung rechteckige Form und ist natürlich größer als die Scheibe der Düse gemäß Darstellung in Fig. 7. Um die Entfernung der Scheibe 46 aus der Platte 90 zu erleichtern, sind Trennschlitze 91 und 92 durch die Platte geätzt, um einen vollständigen Kreis zu bilden, ausgenommen kleine Brückenelemente 93 und 94, die leicht herausgebrochen werden können.
Fig. 8 zeigt eine große Anzahl Düsen, die gleichzeitig in eine einzelne Platte eingeätzt wurden. Es versteht sich, daß das fotografische Verfahren zur Herstellung der Masken für den Ätzprozeß gewährleistet, daß die Düsen schließlich identische Abmessungen, Kantenbruchstellen und Oberflächenbeschaffenheit aufweisen. Es wurde festgestellt, daß mit dem genannten Verfahren 100 oder mehr Düsen gleichzeitig hergestellt werden können.
Die beschriebenen Figuren zeigen, wie viele Düsen für den Einzelgebrauch gleichzeitig hergestellt werden können. Die Mehrfachdüsen könnten natürlich gleichzeitig als Düsenfeld benutzt werden, indem man sie an ihrem Platz auf der Platte beläßt und für jede der Düsen entweder in den Platten oder in den Einlaßöffnungen oder Halterungen Durchtritte vorsieht.
Die Erfindung bezieht sich daher auf eine Düse, die in ihrer Leistung und im Fertigungsverfahren effizienter ist und die sich besonders für Druckwirbeldüsen mit niedrigen Durchflußzahlen eignet. Man wird verstehen, daß die Spezifikation und Ansprüche veranschaulichenden, nicht aber einschränkenden Charakter haben und daß verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Geltungsbereich der Ansprüche abzuweichen.

Claims

1. Verfahren zur Ausbildung einer Mehrzahl von Scheiben (46) in einer einzelnen Platte aus ätzbarem Material (90), die jeweils für den Einsatz in einer Zerstäubungsdüse (42) geeignet sind und von der genannten Platte (90) getrennt werden können, wobei das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:

An jeder einer Mehrzahl von Stellen auf der genannten Platte (90) Ätzen einer Scheibe (46), welche eine flache, schalenförmige Wirbelkammer (56), eine ringförmige Aussparung (66), einen oder mehrere nichtradiale Zuführschlitze (58) zur Verbindung der Aussparung (66) mit der Wirbelkammer (56) und eine koaxial zu der Wirbelkammer (56) verlaufende Austrittsöffnung (44) aufweist, wobei jede der genannten Scheiben so ausgebildet ist, daß in der genannten Wirbelkammer beim Gebrauch ein Wirbel entsteht und der genannten Aussparung (66) zugeführte Flüssigkeit aus der genannten Düse als Sprühnebel austritt, und

Ätzen eines oder mehrerer Schlitze (91, 92) an jeder der genannten Scheiben (46) zur Ausbildung einer oder mehrerer herausbrechbarer Brückenelemente (93, 94), die jede der Scheiben (46) mit der Platte (90) verbinden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Wirbelkammer aus einer Seite der Platte und jede Austrittsöffnung aus der gegenüberliegenden Seite der Platte geätzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es das Herausbrechen des genannten einen oder der genannten mehreren herausbrechbaren Brückenelemente einschließt, um die genannten Scheiben von der genannten Platte zu lösen.