Beschreibung
MISCHDÜSE MIT VERSCHIEBBARER DROSSEL UND SPRÜHEINHEIT
Die Erfindung betrifft eine Mischdüse für fluide Medien, insbesondere Wasser-Luft-Gemische, mit einer Flüssigkeitsdüse, die in den Innenraum eines äußeren Düsenkörpers mündet, der im Abstand zur Flüssigkeitsdüse eine sich längsaxial verjüngende Zone aufweist, innerhalb der ein Drosselkörper zur Verwirbelung des fluiden Gemisches angeordnet ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Sprüheinheit, die mittels einer einzigen Pumpe mit einem fluiden Medium über eine gemeinsame Zuführleitung versorgt wird.
Durch Mischdüsen der vorgenannten Art, die auch als Schaumsprudeldüsen bezeichnet werden, werden Wasserfontänen erzeugt, wobei mehrere solcher Düsen, die zu einer Sprüheinheit zusammengefaßt sind, in sogenannten Fahrübungszentren dazu benutzt werden, um plötzlich auftretende, quer zur Fahrrichtung liegende, variable Hindernisse zu simulieren.
Inzwischen ist bekannt, dass viele Unfälle vermeidbar sind, wenn die Fahrzeuglenker lernen, mit unvorhersehbaren Verkehrssituationen durch geeignete Fahrmaßnahmen bei unterschiedlichen Witterungsbedingungen fertig zu werden. Die Ausrüstung eines Kraftfahrzeuges mit einem ABS-Bremssystem allein reicht nämlich erfahrungsgemäß noch nicht aus, um ein Auffahren auf ein Hindernis zu vermeiden, es sei denn, der jeweilige Fahrzeuglenker hat trainiert, wie er einem solchen Hindernis ausweichen kann. Feststehende, jederzeit sichtbare Hindernisse wie Baken, künstliche Wände, Sperrhüte oder ähnliches haben den Nachteil, dass sich der Fahrer frühzeitig auf ein solches Hindernis einstellen kann. Anders hingegen ist die Situation, wenn
plötzlich und unerwartet ein künstliches Hindernis auftaucht, das durch Wasserfontänen willkürlich erzeugt werden kann. Hierzu geeignete Düsen sind für den Fahrer unsichtbar im Boden versenkt angeordnet und können gezielt mit einem Wasser-Luft- Gemisch versorgt werden. Das Wasser wird über die Flüssigkeitsdüse mittels einer Pumpe zugeführt und vermengt sich mit radial einströmender Luft, wobei dieses Wasser-Luft-Gemisch durch einen Drosselkörper verwirbelt wird, so daß infolge der Anreicherung des Wasserstrahls mit Luftblasen eine nicht durchsichtige Fontäne entsteht.
In der Praxis werden mehrere solcher Mischdüsen, zumeist fünf bis sechs solcher Düsen zu einer etwa 1 m breiten Einheit zusammengefaßt und mit einer eigenen, separat ansteuerbaren Wasserpumpe ausgerüstet. Um eine hinreichend große Hindernisbreite simulieren zu können, sind viele solcher Einheiten mit entsprechend vielen einzelnen Pumpaggregaten erforderlich. Beispielsweise benötigt man zum Aufbau eines aus Wasserfontänen simulierten Hindernisses mit einer Straßenbreite von 8 m acht solcher Einheiten. Dies hat jedoch folgende Nachteile:
Zunächst kann die Breite des Wasserhindernisses nur in Segmenten von etwa 1 m abgestuft werden. Darüber hinaus ist in den. nach dem Stand der Technik bekannten Mischdüsen der Abstand des Drosselkörpers zum Flüssigkeitsdüsenauslaß fest vorgegeben, so daß entsprechend der Pumpenleistung bzw. dem aufbringbaren Wasserdruck nur eine konstante Hindernishöhe erzeugt werden kann, die während des Betriebes nicht veränderbar ist. Sind mehrere Mischdüsen auf einem einzigen Verteilerrohr nebeneinanderliegend angeordnet, so lassen sich nachteiligerweise auch wegen des vorhandenen Druckabfalls im Verteilerrohr keine gleich hohen Wasserfontänen erzeugen. Die Höhe der Wasserfontäne ist
nämlich zwangsläufig bei den Mischdüsen größer, die der gemeinsamen Pumpe am nächsten angeordnet sind.
Durch den Aufbau der Mischdüsen, die in Bodenrinnen versengt sind, läßt sich auch das Eindringen von Steinen, Laub, Sand, Schlick etc. nicht verhindern, was insbesondere bei den üblicherweise verwendeten Tauchpumpen eine hohe Störanfälligkeit bewirkt. Um den Druckabfall entlang des Wasserzufuhrrohres gering zu halten, ist nicht nur die Verwendung von mehreren Pumpen für einzelne Sprüheinheiten notwendig, sondern auch eine ortsnahe Anbringung der Pumpen an dem Wasserzuflußrohr, über das die Mischdüsen mit Wasser gespeist werden. Die hierzu notwendige Stromversorgung der Pumpe, die häufig mit 380 V betrieben werden, bildet in dem engen, nassen Kanal, in dem die Sprüheinheiten angeordnet sind, eine große Gefahrenquelle.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine regelbare Mischdüse anzugeben, mit der während des Betriebes eine individuelle Höheneinstellung der erzeugten Fontäne aus einem Fluid- gemisch möglich ist. Die Flüssigkeitszufuhr dieser Mischdüsen soll möglichst verschließbar sein, um das Eindringen von Verschmutzungen zu verhindern.
Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine Sprüheinheit aus mehreren Mischdüsen zu schaffen, mit der eine künstliche "Wasserwand" beliebiger Höhenstruktur mit möglichst geringem Pumpaufwand erzeugt werden kann.
Zur Lösung der erstgenannten Aufgabe wird die Mischdüse nach Anspruch 1 vorgeschlagen, die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß der Auslaß der Flüssigkeitsdüse als Ventilsitz für den längsaxial über eine Spindel verschiebbaren Drosselkörper ausgebildet ist. Der Drosselkörper dient hierbei
nicht nur zur Verwirbelung von Luft-Wasser-Gemischen, sondern auch aufgrund seiner längsaxialen Verschiebbarkeit als Verschlußorgan und regelbares Drosselorgan. So kann je nach längsaxialer Stellung des Drosselkörpers zum Flüssigkeitsdüsenauslaß eine mehr oder weniger stark verwirbelte Flüssigkeitsbzw. Luft-Wasser-Strömung eingestellt werden. Die längsaxiale Verstellbarkeit der Drosselkörper läßt auch die Fluid-Durch- flußmenge fein regulieren.
Weiterbildungen der Mischdüse sind in den Unteransprüchen beschrieben. So wird vorzugsweise der Drosselkörper mittels eines Elektromotors längsaxial verschoben. In einer konkreten Ausgestaltung der Mischdüse ist die Antriebsspindel des Elektromotors mit einer drehgesicherten Hülse verbunden, die unter Zwischenschaltung einer elastischen Kupplung über eine Verbindungswelle mit dem Drosselkörper verbunden ist. Die elastische Kupplung verhindert, daß Kräfte, insbesondere solche, die in längsaxialer Richtung auf den Drosselkörper einwirken, ungedämpft auf die Antriebsspindel des Elektromotors übertragen werden. Die mittels der Kupplung erzeugte Dämpfung dient somit der Elektromotorschonung und der Erhöhung der Lebensdauer dieses Motors.
Um die Lage des Drosselkörpers möglichst genau bestimmen bzw. entsprechen einstellen zu können, ist mit dem Elektromotor ein Meßgeber (Encoder) verbunden, der jeweils Aufschluß über die bereits getätigte Spindeldrehung gibt, die in direkt proportionalem Verhältnis zu der längsaxialen Verschiebung des Drosselkörpers steht.
Besondere Vorteile hat die Mischdüse dann, wenn sie mit mehreren anderen Düsen zu einer Sprüheinheit zusammengefaßt wird, die mittels einer einzigen Pumpe mit einem fluiden Medium über
eine gemeinsame Zufuhrleitung versorgt wird. Die geometrische Form der Sprüheinheit ist grundsätzlich beliebig wählbar, jedoch wird vorzugsweise die Form eines Sprühbalkens gewählt, auf dem in einer Reihe mehrere Düsen nebeneinander angeordnet sind, die nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung jeweils einzeln Steuer- oder regelbar sind. Insbesondere kann der Sprühbalken ein Vierkantrohr aufweisen, auf bzw. in dem die Mischdüse in beliebiger Anzahl angeordnet sind. Die Vorteile solcher Sprüheinheiten sollen anhand der speziellen Ausführungsform des Sprühbalkens erläutert werden, gelten jedoch in entsprechender Weise auch für andere Geometrieformen von Sprüheinheiten. Durch die Möglichkeit, daß alle in der Sprüheinheit vorliegenden Düsen von einer zentralen, außerhalb der Sprüheinheit installierten Pumpe mit Wasser versorgt werden, ist der apparative Aufwand erheblich minimiert, so daß beispielsweise das Wasser mit einer einzigen zentralen Filteranlage aufbereitet werden kann. Anders als bei den eingangs erwähnten Düsen nach dem Stand der Technik ist die Länge des Sprühbalkens bzw. die Anzahl der Düsen nicht beschränkt. Jede Mischdüse kann nämlich getrennt geregelt werden, so daß ein Druckabfall in entsprechender Weise durch Lageänderung des Drosselkörpers ausgeglichen werden kann, so daß sich beispielsweise jeweils gleich hohe Fontänen einstellen lassen. Ebenso ist es möglich, die jeweilige Wasser-Luft-Gemisch-Fontänhöhe pro Mischdüse so zu regeln, so daß ein "Wasservorhang" mit einer wellenartigen oder beliebig gekrümmten Oberkante erzeugt werden kann. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es weiterhin möglich, die Zufuhrleitung, auf der die einzelnen Mischdüsen angeordnet sind, groß zu dimensionieren, so daß örtlich nur geringe Strömungsgeschwindigkeiten vorliegen und damit der Druckabfall über die gesamte Rohrlänge bzw. die Länge des Sprühbalkens nur sehr gering ist. In dem primär ins Auge gefaßten Anwendungszweck, einen Sprühbalken zur Erzeugung künstlicher Hindernisse zu schaffen, kann somit eine beliebige Straßenbreite abgedeckt
werden. Da nur noch eine zentrale, außerhalb der Zufuhrleitung liegende einzige Pumpe benötigt wird, ist dementsprechend auch deren Stromversorgung erheblich einfacher, insbesondere jedoch gefahrloser zu gestalten. Jede Mischdüse läßt sich getrennt ansteuern, was auch die Möglichkeit beinhaltet, nur einen Teil der Düsen zu öffnen und die übrigen zu verschließen. Somit können beliebig breite Hindernissen an unterschiedlichen Orten relativ zur Gesamtbreite der Straße erzeugt werden. Die erfindungsgemäß mögliche separate proportionale Ansteuerung jeder Düse schafft den Vorteil einer Simulation eines sowohl hinsichtlich des Ortes als auch der Gestaltung variablen Hindernisses. Verwendet man eine Steuerung, mit der nacheinander Düsen geöffnet und geschlossen werden, können auch bewegliche Hindernisse simuliert werden, auf die die Probanden auf entsprechenden Auto-Teststrecken reagieren sollen. Solche Simulationen sind wichtig, um beispielsweise die Bewegung eines plötzlich über die Straße laufenden Kindes nachzustellen.
Weitere Vorteile der Erfindung werden im folgenden anhand der Figuren erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein herkömmliches System aus mehreren nebenein ander angeordneten Sprüheinheiten,
Fig. 2 eine Sprüheinheit mit einer Versorgungspumpe
(Stand der Technik) ,
Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Mischdüse,
Fig. 4 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Mischdüse,
Fig. 5 eine Sprüheinheit mit mehreren Mischdüsen gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 6 einen Querschnitt durch eine weitere erfindungsgemäße Mischdüse,
Fig. 7 eine weitere Sprüheinheit in einer Längsschnittansicht,
Fig. 8 eine Querschnittsansicht der Sprüheinheit nach
Fig. 7 und
Fig. 9 eine Teil-Draufsicht auf die Sprüheinheit nach Fig. 7 bzw. 8.
Auf Verkehrsübungsplätzen oder sonstigen Fahrübungszentren sind in einer Straße Rinnen 10 angeordnet, in denen jeweils nach dem Stand der Technik mehrere Sprüheinheiten 11 vorgesehen sind, die dazu dienen, quer zur Fahrtrichtung liegende Hindernisse durch Wasserfontänen zu simulieren. In Fig. 1 werden zur Überdeckung der Straßenbreite beispielsweise acht Sprüheinheiten 11 benötigt, die jeweils im dargestellten Fall sechs Mischdüsen besitzen. Jeder der einzelnen Sprüheinheiten 11 wird über eine Pumpe 12 mit Wasser versorgt. In dem in Fig. 1 dargestellten idealisierten Fall werden drei nebeneinanderliegende Sprüheinheiten 11 betätigt, um einen Wasservorhand 13 aus jeweils einzelnen Wasserfontänen zu erzeugen, der eine Hindernisbreite b und eine Hindernishöhe h darstellen soll. Nach dem Stand der Technik werden regelmäßig Sprüheinheiten in Form von Sprühbalken mit einer Breite von ca. I m verwendet, die fünf bis sechs Mischdüsen aufweisen.
Wie sich im Detail aus Fig. 2 ergibt, wird für jede Sprüheinheit eine separate Pumpe 12 verwendet, mittels der über eine Zufuhrleitung 14 ein etwa waagrecht liegendes Rohr 15 mit Wasser versorgt wird. Infolge des Druckabfalles ist es offensichtlich, daß die in der Mitte des Sprühbalkens angeordnete Misch-
düsen eine höhere Wasserfontäne erzeugen als die außenliegenden Mischdüsen 16. Jede Sprüheinheit 11 deckt somit eine Teilbreite a ab, so daß zur Abdeckung einer gesamten Straßenbreite B (siehe Fig. 1) mehrere Sprüheinheiten und hierzu erforderliche Versorgungseinheiten gebraucht werden.
Der prinzipielle Aufbau einer Mischdüse 16 ist aus Fig. 3 ersichtlich. Das über den Auslaß einer Flüssigkeitsdüse 17 geförderte Wasser vermengt sich mit der radial einströmenden Luft zu einem Luft-Wasser-Gemisch, das durch den Drosselkörper 18 verwirbelt und in Richtung des Pfeiles 19 (nach oben) ausgeworfen wird. Der Drosselkörper 18 ist ballig ausgeführt und liegt im Abstand zum Auslaß der Flüssigkeitsdüse 12. Bei nach dem Stand der Technik bekannten Mischdüsen sind allenfalls manuelle Einstellungen möglich und, sofern überhaupt vorgesehen, nur nach Öffnen des Düsenkörpers. Es ist offensichtlich, daß in die Rinnen 10 Schmutz, Steine, Laub oder ähnliche Störstoffe einfließen könne, die zum Teil in die Leitungen 15 und 14 bis hin zur Pumpe dringen können und deren Betrieb stören. Erfindungsgemäß ist der Auslaß der Flüssigkeitsdüse als Ventilsitz für den längsaxial über eine Spindel verschiebbaren Drosselkörper ausgebildet, was im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert wird.
Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Mischdüse 20, von denen mehrere in einem Vierkantrohr 21 integriert sind. Jede dieser Mischdüsen besitzt einen Drosselkörper 1, der längsaxial verstellbar und an der der Flüssigkeitsdüse 2 zugekehrten Seite kegelförmig ausgebildet ist, so daß mittels des Drosselkörpers 1 die Flüssigkeitsdüse 2 verschlossen werden kann, deren Auslaß in entsprechender Weise als Ventilsitz für den kegelförmigen Drosselkörperteil ausgebildet ist. Die längsaxiale Verstellung des Drosselkörper 1 ist mittels der Verbindungswelle 3 möglich, die über eine elastische Kupplung 4 mit einer gegen
Verdrehung gesicherten Hülse 5 mit einem Innengewinde verbunden ist. Die Hülse 5 ist auf die Antriebsspindel 6 des Elektromotors 7 gekoppelt, durch deren Drehung je nach Drehrichtung die Hülse 5 der Gewindesteigung entsprechend nach vorne oder zurück bewegt wird. Um die Lage des Drosselkörpers feststellen zu können, ist der Motor 7 mit einem Encoder 8 ausgestattet. Zum Anschluß der Spannungsversorgung sowie der Steuerleitungen dient ein Adapter 9.
Das im Innenraum des Vierkantrohre 21 unter Druck stehende Wasser gelangt über vorgesehene Öffnungen 22 in den Innenraum 23 der Flüssigkeitsdüse zu deren Auslaß, wo es mit angesaugter Luft (siehe Pfeil 24) vermengt und über den Mischdüsenauslaß 25 ausgestoßen wird. Je nach Stellung des Drosselkörpers relativ zu der Mischdüsenverengung 26 kann die Strömungsgeschwindigkeit und der Druck des Wasser-Luft-Gemisches und damit auch die erreichbare Strahlhöhe der Mischdüse 20 variiert werden.
Fig. 5 zeigt das bereits erwähnte Vierkantrohr 21 mit dargestellten 48 Mischdüsen 20, die äquidistant zueinander angeordnet sind. Das Vierkantrohr 21 erstreckt sich als Sprühbalken im wesentlichen über die gesamte Breite B der Straße bzw. der Rinne 10, in der der Sprühbalken angeordnet ist. Das Vierkantrohr 21 wird über eine einzige Pumpe 27 mit Wasser versorgt. Durch die getrennte Ansteuerbarkeit jeder einzelnen Mischdüse können beliebige Hindernisbreiten c bzw. Hindernishöhen d erzeugt werden, wie dies in Fig. 5 prinzipiell dargestellt ist. Die dort erzeugte Wasserwand aus einzelnen Wasserstrahlen 28, die gestrichelt dargestellt sind, kann an beliebiger Stelle fortlaufen, auch zur Bewegungssimulation erzeugt werden. Diejenigen Mischdüsen 20, die keinen Wasserstrahl abgeben sollen, sind durch Absenken des Drosselkörpers 1 auf den Flüssigkeitsdüsenauslaß 2, der als entsprechender Ventilsitz ausgebildet ist, verschlossen.
Die in Fig. 6 dargestellte Mischdüse 29 ist ähnlich der Mischdüse nach Fig. 4 aufgebaut, so daß gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen worden sind. Diese Mischdüse besitzt jedoch folgende neuen Merkmale:
Um zu verhindern, daß sich bei Frostgefahr Eis bilden kann, ist der Boden 30 kegelförmig gestaltet, so daß Wasser restlos abfließen bzw. die Anlage vollständig entleert werden kann. Zusätzlich entnehmbar sind ein vorgesehener Schlitz 31 für die Führungsbuchse 32 sowie eine Kupplung 33 mit einem Mitnehmer 34. Der Drosselkörper 35 ist kugelförmig ausgebildet und in einer Verschlußstellung, d.h. auf dem Ventilsitz liegend dargestellt. Zusätzlich ist am Düsenaustritt ein kreuzförmig ausgebildetes Leitblech 36 vorgesehen, das in Verbindung mit dem kugelförmigen Verschlußkörper ein verbessertes Sprühbild ergibt .
In Fig. 7 ist ein Sprühbalkenmodul 37 abgebildet, das eine Breite B von ca. 2 m Länge besitzt und das mit acht Mischdüsen 29 gemäß Fig. 6 bestückt ist, die in äquidistantem Abstand zueinander angeordnet sind. Das vorhandene Druckbegrenzungsventil ist mit Bezugszeichen 38 und die Steuerelektronik mit Bezugszeichen 39 beziffert. Wie aus den Fig. 8 und 9 im Detail erkennbar, ist ferner eine einstellbare Aufhängung 40 des Balkens 37 vorgesehen, mit der eine Anpassung an das Gefälle der Straße herbeigeführt werden kann. Hierzu dient ein Rahmen 42, an dem der Sprühbalken 37 aufgehängt ist. Der Sprühbalken 37 ist nach außen hin mit einer Dichtung 43, die an einem Flansch 44 befestigt ist, versehen und in einer Ausnehmung eines Betonbauwerkes 45 eingelassen, die am oberen Rand durch ein Abdeckblech 41 abgeschirmt ist. Das Abdeckblech 41, das im Bereich 43 gemäß Fig. 9 entfernt worden ist, deckt die Ausnehmung im Betonwerk 45 bis auf einen schmalen Schlitz ab, unterhalb dem sich die erfindungsgemäßen Mischdüsen 29 (oder 20) befinden.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Mischdüse bzw. der Sprüheinheit wird durch Vergleich mit Fig. 1 unmittelbar deutlich: Während es mittels nach dem Stand der Technik bekannter Mischdüsen 16 bzw. Sprüheinheiten 11 nur möglich ist, jeweils abgestufte Hindernisbreiten zu erzeugen, können die künstlichen Hindernisbreiten mit der Sprüheinheit gemäß Fig. 5 oder 7 bis 9 feinstufiger eingestellt werden. Da auch während des fontänenartigen Betriebes eine individuelle Regelung bzw. Steuerung der einzelnen Mischdüsen möglich ist, können die Hindernisse bei anstehendem Wasserdruck in der gewünschten Weise sowohl in der Höhe als auch in der Breite als auch hinsichtlich des Ortes und des zeitlichen Verlaufes variiert werden.
Von der vorliegenden Erfindung sind auch solche Ausführungsformen erfaßt, bei denen kein linearer Sprühbalken, sondern anders geformte Sprüheinheiten verwendet werden. Diese können in einer Ebene, etwa in S- oder Z-Form oder auch im Raum als Spirale ausgebildet sein, womit sich für Springbrunnen oder ähnliche Wasserspiel individuell regelbare Fontänen unter Verwendung nur einer einzigen Pumpe erzeugen lassen.
Der Sprühbalken bzw. die Düsen können so eingestellt werden, daß diese nur ca. 10 bis 20 cm hoch spritzen, so daß die in ein Betonwerk eingelassenen Sprühbalken auch dazu benutzt werden können, um eine Fahrbahnbewässerung durchführen zu können, etwa zum Austesten von Aquaplaning-Verhalten.
Eine Gesamtanlage kann aus mehreren nebeneinander angeordneten Sprühbalken 37 modulartig zusammengesetzt werden, beispielsweise in Variationen zu einem Mehrfachen einer 2 m großen Breite, d.h. es können 4 m, 6 m, 8 m etc. Fahrbahnabschnitte mit einer Sprühbalkenanordnung versehen werden. Die einzelnen Sprühbalken lassen sich beispielsweise durch einen Flansch zu einem Gesamtbalken verbinden.