DE102021133674A1

DE102021133674A1 - Düse mit einstellbarer Strahlgeometrie, Düsenanordnung und Verfahren zum Betrieb einer Düse

Info

Publication number: DE102021133674A1
Application number: DE102021133674.0A
Authority: DE
Inventors: Lisa Parschat; Hannes Köhler; Sebastian Kricke; Enrico Fuchs
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2021-12-17
Filing date: 2021-12-17
Publication date: 2023-06-22
Also published as: EP4197643A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur einstellbaren Beeinflussung eines Fluids beim Übertritt in den freien Raum aus einem Düsenaustritt (4), umfassend eine erste Fluidleitung (8), wenigstens eine zweite Fluidleitung (10), eine Drallkammer (6), in die die erste Fluidleitung (8) zentral in einer Achsrichtung (9) und die wenigstens eine zweite Fluidleitung (10) in einer Zylinderwand der Drallkammer (6) auf einer tangentialen Ebene in einem von einer Achsrichtung abweichenden Eintrittswinkel α eintreten. Eine erste Fluidströmung (12) strömt in der ersten Fluidleitung (8) in axialer Richtung zu einem Düsenaustritt (4) hin und wenigstens eine zweite Fluidströmung (14) tritt in der wenigstens einen zweiten Fluidleitung (10) an der Zylinderwand in die Drallkammer (6) ein. Die Vereinigung beider Fluidströmungen (12, 14) in der Drallkammer (6) bewirkt, dass in Abhängigkeit von der Differenz zwischen den Volumenströmen der ersten Fluidströmung (8) und der zweiten Fluidströmung (10) unterschiedliche Strahlgeometrien in den freien Raum aus dem sich an die Drallkammer (6) anschließenden Düsenaustritt (4) austreten, die zwischen einem linearen Vollstrahl (32) und einem kegelförmigen Spray (30) variierbar sind. Nach der Erfindung weist die erste Fluidleitung (8) ein Ventil (20, 22, 24) zur Einstellung des Volumenstroms der ersten Fluidströmung (12), der die Drallkammer (6) erreicht, auf. Die Erfindung betrifft auch eine Düsenanordnung, die wenigstens zwei Düsen umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur einstellbaren Beeinflussung eines Fluids beim Übertritt in den freien Raum aus einem Düsenaustritt, insbesondere eine Düse mit einstellbarer Strahlgeometrie, umfassend eine erste Fluidleitung, wenigstens eine zweite Fluidleitung, eine Drallkammer, in die die erste Fluidleitung zentral in Achsrichtung und die wenigstens eine zweite Fluidleitung in einer Zylinderwand der Drallkammer auf einer tangentialen Ebene in einem von einer Achsrichtung abweichenden Eintrittswinkel eintreten, um eine mit Drall behaftete Strömung zu erzeugen, die in Richtung Düsenaustritt orientiert ist, wobei eine erste Fluidströmung in der ersten Fluidleitung in axialer Richtung zu einem Düsenaustritt hin strömt und wenigstens eine zweite Fluidströmung in der wenigstens einen zweiten Fluidleitung an der Zylinderwand in die Drallkammer eintritt, wobei die Vereinigung beider Fluidströmungen in der Drallkammer bewirkt, dass in Abhängigkeit von der Differenz zwischen den Volumenströmen der ersten Fluidströmung und der zweiten Fluidströmung unterschiedliche Strahlgeometrien in den freien Raum aus dem mit der Drallkammer verbundenen Düsenaustritt austreten, die zwischen einem linearen Vollstrahl und einem kegelförmigen Spray variierbar sind. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Düsenanordnung, die wenigstens zwei Düsen umfasst, sowie Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur einstellbaren Beeinflussung eines Fluids.
In vielen industriellen Prozessen werden hydraulische Sprühdüsen genutzt, wie z. B. für Reinigungs-, Beschichtungs- oder Kühlvorgänge. Je nach gewählter Düsengeometrie lassen sich verschiedene Strahlformen erzeugen. Während eine Vollstrahlgeometrie einen kohärenten Vollstrahl erzeugt, der in einem kleinen Bereich große mechanische Kräfte und Masseströme ermöglicht, kann mit einer Zerstäubungsdüse ein Tropfenspray, nachfolgend kurz Spray genannt, realisiert werden, das eine verhältnismäßig große Fläche in kurzer Zeit benetzt. Zerstäubungsdüsen besitzen üblicherweise eine Geometrie, die eine Erhöhung der Turbulenz und/oder die Erzeugung eines Dralls in der Strömung verursacht, so dass ein Zerfall des Strahls herbeigeführt werden kann, wenn dieser den Düsenaustritt verlässt. Maßnahmen zur Steigerung der Turbulenz sind beispielsweise starke Strömungsumlenkung, abrupte Querschnittsänderungen oder eine Kollision von mehreren Teilströmungen nahe des Düsenaustritts. Ein Drall hingegen kann durch Dralleinsätze oder eine in eine Drallkammer tangential eingeleiteten Strömung erzeugt werden. Eine durch Drall verursachte Zerstäubung ermöglicht gleichmäßigere Sprays mit kleineren Tropfen als eine durch Turbulenz verursachte Zerstäubung. Vollstahldüsen sind dem gegenüber so gestaltet, dass der austretende Strahl auf eine möglichst große Distanz zusammenhängend bleibt. Dies kann z. B. durch strömungsgünstige Düsengeometrien und das Vermeiden abrupter Querschnittsänderungen realisiert werden.
Weil die Strahlformen verschiedene, zum Teil gegensätzliche Eigenschaften aufweisen, ist ein bedarfsgerechter Wechsel der Strahlform für Prozesse mit insbesondere veränderlichen Prozessbedingungen und Anforderungen sinnvoll, um den Prozess effizient zu gestalten. Es bestehen zum Beispiel Potenziale bei der Reinigung von Behältern in der industriellen Lebensmittelproduktion oder bei der Reinigung von Bau- und Fahrzeugteilen, bei denen Verschmutzungen mit häufig wechselnden und inhomogenen Eigenschaften gereinigt werden müssen. Hierbei werden bewegliche, z. B. rotierende, Reinigungsgeräte genutzt, für die ein bedarfsgerechter Wechsel der Strahlform vorteilhaft sein kann.
Bisher kommen jedoch in der Regel unveränderliche Düsengeometrien zum Einsatz, die keinen Wechsel zwischen Spray und Vollstrahl erlauben oder zusätzliche Steuerleitungen benötigen, um die notwendigen Schalt- bzw. Verstellvorgänge zu ermöglichen, was für insbesondere rotierende Systeme problematisch ist. Auf einen Wechsel der Strahlform wird gegenwärtig meist verzichtet. Stattdessen wird die Strahlform auch in unterschiedlichen Prozessschritten und bei verschiedenen Aufgaben beibehalten. Der Prozess ist infolgedessen oft ineffizient, da ein übermäßig hoher Verbrauch der Ressourcen Zeit, Wasser und Reinigungsflüssigkeit resultiert.
Kann auf verschiedene Strahlformen nicht verzichtet werden, sind Prozesse oft mehrstufig gestaltet und es erfolgt eine bedarfsgerechte Umrüstung der Reinigungsgeräte für jeden Teilprozess. Dies erfordert einen hohen Zeit- und Personalaufwand zur Umrüstung der Düsen oder des ganzen Reinigungsgeräts und führt ebenfalls zu einem ineffizienten Prozess.
Weiterhin ist bekannt, neben einer axialen Strömung (Fluid) eine zweite Strömung (Fluid oder Luft) vor dem Düsenaustritt quer in die axiale Strömung einzuleiten, wodurch eine Zerstäubung hervorgerufen wird. Mit einer Zerstäubung, die durch eine Kollision von axialen und quer eingeleiteten Strömungen erzeugt wird, kann nicht die physikalische Zerstäubungscharakteristik einer Vollkegel- oder Hohlkegeldüse erreicht werden. Deren Zerstäubungscharakteristik beruht auf der Zerstäubung einer zuvor in Drall versetzten Strömung und weist keine Kollision mit axialen Strömungen auf. Dadurch kann eine gleichmäßige und feinere Zerstäubung realisiert werden. Dieses Konzept wird in den Druckschriften DE 100 09 573 A1 , EP 1 885 910 B1 und WO 2004/056489 A1 verfolgt.
Aus der Druckschrift DE 27 33 102 A1 ist eine Lösung bekannt, bei der eine axiale und eine quer eingeleitete Strömung kollidieren, wobei die Querströmung explizit tangential eingeleitet wird, sodass ein Drall entsteht. Dabei werden zwei Ventile zum separaten Schalten der Strömungen vorgesehen. Wird nur der axiale Kanal geöffnet, tritt die Strömung als Vollstrahl aus; werden beide Kanäle geöffnet sind, entsteht ein Spray. Es werden zwei Ventile benötigt, um die Teilströme, wie in der Druckschrift vorgeschlagen, stufenlos einstellen zu können, wodurch ein erhöhter Platzbedarf und konstruktiver Aufwand entstehen. Zwangsläufig muss auch bei dieser Lösung die tangential eingeleitete Strömung durch ein zusätzliches Ventil gesteuert werden, um die vorgesehen Effekte zu erzielen.
Weiterhin ist eine Lösung aus der Druckschrift EP 0121877 B1 bekannt, bei der eine tangential eingeleitete Strömung, die einen Drall aufbaut, mit einer axial eingeleiteten Strömung, die den Drall vermindert, in einer Drallkammer kollidiert. Mithilfe von betätigbaren Ventilen, die zur Regulierung der Teilströme (und insbesondere auch der tangential eingeleiteten Strömung) dienen, lässt sich der Winkel des austretenden Sprays in Form eines Hohlkegels verändern. Gemäß vorgeschlagener Anwendung wird der Drall jedoch bei Überlagerung der Teilströme nicht vollständig eliminiert, so dass sich die resultierende Strahlform nicht vollständig ändern lässt, sondern nur der Sprühwinkel des hohlkegelförmigen Sprays variiert werden kann. Damit ist die beschriebene Düse nicht für Prozesse nutzbar, bei denen umfassend veränderliche Strahlformen benötigt werden.
Der Düsenaustritt ist nach einer weiteren bekannten Lösung in seinem Querschnitt veränderlich gestaltet und ermöglicht dadurch ein veränderbares Zerstäubungsverhalten, wenn zusätzliche Austrittsgeometrien geöffnet werden bzw. die Fläche der bestehenden Öffnung verändert wird. Eine Düse mit veränderlicher Düsenöffnung ist aufwändiger herzustellen, störungsanfälliger und stellt höhere Anforderungen an die technische Umsetzung und die Nutzung im Vergleich zu einer Düse mit unveränderlicher Austrittsöffnung. Damit verbunden ist ein erhöhter Aufwand in der hygienegerechten Gestaltung, Wartung, Einhausung und Komplexität der Baugruppe. Eine derartige Lösung wird in den Druckschriften DE 43 24 731 A1 und DE 10 2016 203 769 A1 , wo auf die Veränderung des Volumenstroms abgezielt wird, DE 10 2005 013 127 B4 , die eine Veränderung der Richtung des Sprühstrahls zum Gegenstand hat, sowie in den Druckschriften EP 0 724 913 A2 und EP 2 441 522 A2 , gerichtet auf eine Änderung der Strahlform, beschrieben.
Weitere Druckschriften, die Möglichkeiten zur Veränderung einer Strahlform beleuchten, sind die DE 10 2007 054 673 B4 mit der Beschreibung einer Bandschmiereinrichtung und/oder Reinigungs-Desinfektionsanlage, die GB 720 859 A mit der Beschreibung einer Feuerwehrdüse und die EP 0 927 562 A2 mit der Flachstrahlerzeugung mittels einer Hohlstrahldüse, ebenfalls für Feuerlöschzwecke.
Bekannte Lösungen, bei denen Ventile eingesetzt werden, um eine Fluidströmung zu beeinflussen, sind aus den Druckschriften DE 102 59 563 A1 , DE 10 2007 054 673 B4 , EP 0 140 505 B1 , CN 206701530 UU, EP 2 059 347 B1 und DE 27 33 102 A1 bekannt, ebenso aus den Druckschriften CN 108014935 BB und DE 100 09 573 A1 . Dabei sind stets entweder in beiden Teilströmungen Ventile angeordnet, sodass zwei Ventile benötigt werden, oder das eine Ventil dient ausschließlich zur Beeinflussung der Querströmung, des Bypasses. Hierdurch wird die Ausführung des einen Ventils aufwändiger.
Dies trifft entsprechend auch auf die Druckschrift US 3 746 262 A zu, bei der die Drallwirkung des Fluids durch ein Abheben des cup 30 vom annular seat 46 im Sinne und in der Funktion eines schaltbaren Ventils beeinflusst wird, während die axiale Fluidströmung allein nicht bzw. nur gemeinsam mit der Querströmung durch das Ventil (gebildet aus O-Ring 22 und Ventilsitz 24) unterbrochen werden kann.
Zur Verstellung von Mechanismen oder Ventilschaltungen werden häufig zusätzliche Steuerleitungen zur Signalübertragung benötigt oder müssen manuell betätigt werden. Dies wird in den Druckschriften DE 100 09 573 A1 und EP 0 927 562 A2 offenbart. Die Integration von Steuerleitungen oder die Umsetzung einer manuellen Verstellung erfordern bei ihrer technischen Umsetzung einen erhöhten Aufwand. Dies gilt insbesondere für technische Systeme, die beweglich bzw. rotierend arbeiten, die höhere Anforderungen bezüglich der Dichtheit (z. B. Strahlwasserschutz) aufweisen oder sich prozessbedingt oder aus Gründen des Arbeitsschutzes außerhalb der Reichweite für einen manuellen Eingriff befinden.
Eine weitere naheliegende und bereits praktizierte Lösung besteht im Einsatz von verschiedenen Düsengeometrien nebeneinander. Die beiden verschiedenen Düsengeometrien liegen in ihrer Geometrie unveränderlich, separat und nebeneinander vor, sodass über eine zuvor verzweigte Leitung ein gleichzeitiger Betrieb von Spray und Vollstrahl möglich ist oder diese durch Ventile bzw. einen Mechanismus so geschaltet werden, dass das Fluid nur aus einer der beiden Düsengeometrien austritt und entweder ein Spray oder ein Vollstrahl erzeugt wird. Der gleichzeitige Parallelbetrieb verschiedener Düsen geht mit einem übermäßig hohen Verbrauch an Wasser und Reinigungsflüssigkeit einher. Die paarweise Ausführung einer Vollstrahl- und einer Zerstäubungsdüse sowie das optionale Ventilsystem sind raumfordernd, da deren Strahlachsen nicht identisch sind, sondern nebeneinander vorliegen. Dadurch wäre eine Relativverschiebung zwischen Düse und anvisiertem Ziel notwendig ist, wenn nacheinander beide Strahlformen auf dasselbe Ziel gerichtet werden sollen. Dies erhöht den Auslegungs- und Steuerungsaufwand hinsichtlich der lokalen Zielgenauigkeit.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Düse, eine Düsenanordnung und ein Verfahren zum Betrieb der Düse anzubieten, um damit eine einfache Möglichkeit zur Steuerung der Strahlform des aus der Düse austretenden Fluids zu erreichen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur einstellbaren Beeinflussung eines Fluids beim Übertritt in den freien Raum aus einem Düsenaustritt, umfassend eine erste Fluidleitung, wenigstens eine zweite Fluidleitung und eine Drallkammer. In die Drallkammer treten die erste Fluidleitung zentral in Achsrichtung und die wenigstens eine zweite Fluidleitung in einer Zylinderwand der Drallkammer auf einer tangentialen Ebene in einem von einer Achsrichtung abweichenden Eintrittswinkel ein. Dies erfolgt, um eine mit Drall behaftete Strömung zu erzeugen, die in Richtung Düsenaustritt orientiert ist. Eine erste Fluidströmung strömt in der ersten Fluidleitung in axialer Richtung zu einem Düsenaustritt hin. Wenigstens eine zweite Fluidströmung tritt in der wenigstens einen zweiten Fluidleitung an der Zylinderwand in die Drallkammer ein. Die Vereinigung beider Fluidströmungen in der Drallkammer bewirkt, dass in Abhängigkeit von der Differenz zwischen den Volumenströmen der ersten Fluidströmung und der zweiten Fluidströmung unterschiedliche Strahlgeometrien in den freien Raum aus dem mit der Drallkammer verbundenen Düsenaustritt austreten. Die Strahlgeometrien sind zwischen einem linearen Vollstrahl und einem kegelförmigen Spray variierbar. Das kegelförmige Spray tritt nach der bevorzugten Ausführungsform als Vollkegel aus dem Düsenaustritt, wobei nach einer alternativen Ausführungsform ein Hohlkegel vorgesehen ist.
Nach der Erfindung weist die erste Fluidleitung ein Ventil zur Einstellung des Volumenstroms der ersten Fluidströmung, der die Drallkammer erreicht, auf. Damit wird es möglich, durch ein einziges Ventil die Strahlform zu steuern und den Wechsel zwischen Vollstrahl und Spray zu initiieren. Es hat sich überraschend gezeigt, dass die Beeinflussung der ersten Fluidströmung ausreicht, um den Wechsel zwischen Vollstrahl und Spray hervorzurufen. Eine zusätzliche Beeinflussung der zweiten Fluidströmung ist nicht erforderlich. Dadurch kann die erfindungsgemäße Vorrichtung als kompakte und einfache Düse mit einem einzigen Ventil ausgeführt werden.
Nach der bevorzugten Ausführungsform tritt aus dem Düsenaustritt der Vollstrahl aus, wenn das Ventil die erste Fluidleitung freigibt. Aus dem Düsenaustritt tritt hingegen das Spray aus, wenn das Ventil die erste Fluidleitung sperrt, sodass nur die wenigstens eine zweite Fluidströmung in die Drallkammer eintritt.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das Ventil entsprechend dem Fluiddruck, der am Eingang des Ventils, an dessen zum Fluidanschluss hin weisenden Seite, anliegt. Es arbeitet druckabhängig und ist entweder in einem ersten Fluiddruckbereich in Bezug auf einen Schaltpunktdruck des Ventils geöffnet und in einem zweiten Fluiddruckbereich geschlossen oder umgekehrt, indem es in dem ersten Fluiddruckbereich geschlossen und in dem zweiten Fluiddruckbereich geöffnet ist. In der Folge entstehen beispielsweise bei geringen Drücken unterhalb des Schaltpunktdrucks ein Spray und bei hohen Drücken oberhalb des Schaltpunktdrucks ein Strahl oder umgekehrt. Das Ventil kann jedenfalls so ausgeführt sein, dass es am Schaltpunktdruck bei Erhöhung des Fluiddrucks öffnet und bei Absinken des Fluiddrucks unter den Schaltpunktdruck schließt oder umgekehrt.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform mit einem Ventil, das stets beim gleichen Druck öffnet und schließt, es also keine Hysterese gibt, und bei der das Ventil von einem ersten Fluiddruck an, der kleiner ist als der Schaltpunktdruck des Ventils, und in dem gesamten ersten Fluiddruckbereich geschlossen ist, während es von einem zweiten Fluiddruck an, der größer ist als der Schaltpunktdruck des Ventils, und in dem gesamten zweiten Fluiddruckbereich geöffnet ist. Alternativ hierzu ist eine Ausführungsform vorgesehen, bei der der erste Fluiddruck bzw. Fluiddruckbereich höher ist als der zweite.
Das Ventil kann in unterschiedlichen Ausführungen zum Einsatz kommen, die in unterschiedliche Funktionsgruppen nach Art der Vorspannung (pneumatisch, hydraulisch, mechanisch, inhärent), den Materialeigenschaften eines Schließkörpers (elastisch, starr, kompressibel, inkompressibel) und der Geometrie (membranförmig, ausgeführt als Klappe, Schieber, Nadel oder Zylinder) unterteilt werden können. Eine Kombination der Funktionsgruppen ermöglicht eine Vielzahl von Ausführungsformen des Ventils.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist das Ventil als ein pneumatisch vorgespanntes Membranventil ausgebildet, das einmalig vor Betrieb zur Festlegung eines Schaltpunktdrucks mit Druckluft befüllt und dann abgeriegelt wird. Dies ist besonders vorteilhaft, weil eine variable Anpassung der Funktion durch Änderung des pneumatischen Drucks, damit des Schaltpunktdrucks, im einfachsten Fall des Luftdrucks, der gegen die Membran im Ventil wirkt, erzielt werden kann. Der Schaltpunktdruck des Ventils kann damit besonders komfortabel eingestellt werden.
Alternativ hierzu ist das Ventil als ein mit mechanischer Federanordnung, die auf einen starren Schließkörper (wie z. B. eine Klappe, einen Schieber, eine Nadel oder einen Zylinder) wirkt, vorgespanntes Ventil ausgebildet. Darüber hinaus kann auch ein elastischer Schließkörper, wie ihn z. B. eine Membran verkörpert, zum Einsatz kommen. Eine weitere, besonders einfache und robuste Alternative ist ein Ventil, das als kompressibler, elastischer Körper ausgeführt ist. Weitere Ausführungsformen umfassen starre Schließzylinder, die pneumatisch vorgespannt sind, bewegt werden und als Ventil fungieren.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Eintrittswinkel α der zweiten Fluidleitung bzw. des zweiten Fluids zwischen 60° und 90° bezogen auf die Achsrichtung beträgt. Die bevorzugte Drallkammer ist außerdem zwischen dem Ort des Eintritts der wenigstens einen zweiten Fluidleitung und dem Düsenaustritt strömungsstetig und ohne wesentliche, die Strömung beeinflussende und ohne sprunghafte Geometrie- bzw. Querschnittsänderungen ausgeführt. Der Querschnitt ist demnach im Wesentlichen konstant über die axiale Länge der Drallkammer. Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der der Durchmesser des axialen Kanals, der ersten Fluidleitung, gleich dem Durchmesser der Drallkammer und der Querschnitt über die erste Fluidleitung und die Drallkammer hinweg, in Achsrichtung betrachtet, konstant ist. Dadurch wird die axiale Strömung nicht behindert und es werden keine geometriebedingten Turbulenzen oder Druckverluste beim bzw. bis zum Eintritt der axialen Strömung in die Drallkammer erzeugt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform gehen die erste Fluidleitung und die wenigstens eine zweite Fluidleitung aus wenigstens einer Verzweigung hervor, in der eine in die Düse über den Fluidanschluss eintretende Fluidströmung in Teilströme, die erste Fluidströmung und wenigstens eine zweite Fluidströmung, aufgeteilt wird. Die wenigstens eine Verzweigung ist vor dem Ventil, also zwischen Fluidanschluss und Ventil, angeordnet. Damit ist nur ein Fluidanschluss notwendig und es müssen nicht mehrere Fluidleitungen zu dem Ventil geführt werden und dieses wird zugleich kompakter und einfacher im Aufbau.
Vorzugsweise besitzt die erste Fluidleitung einen größeren Querschnitt als die zweite Fluidleitung. Damit und vor allem mit dem Verhältnis der Querschnitte beider Fluidleitungen wird bestimmt, dass die erste Fluidströmung als Vollstrahl den Düsenaustritt verlässt, ohne von der zweiten Fluidströmung in der Drallkammer beeinträchtigt zu werden. Die Berücksichtigung der Querschnitte ist eine Voraussetzung dafür, dass das Umschalten zwischen beiden Strahlformen allein mit einem einzigen Ventil im Sinne der Erfindung erreicht werden kann.
Es hat sich überraschend gezeigt, dass der Düsenaustritt als bekannter und üblicherweise verwendeter Vollstrahldüsenaustritt ausgebildet sein kann. Dieses Bauteil kann daher als standardisiertes, günstig verfügbares Bauteil in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verbaut werden, ohne dass ein Spezialteil für den Düsenaustritt angefertigt werden muss. Darüber hinaus hat sich aber gezeigt, dass mit verschiedenen abweichenden Düsengeometrien zusätzliche Effekte erzielt werden können.
Als geeignete Düsengeometrie hat sich ein verjüngender und anschließend entlang eines Radius erweiternder Querschnitt erwiesen, ähnlich dem Schallstück einer Trompete, nachfolgend als Radiusdüsenaustritt bezeichnet. Eine weitere geeignete Düsengeometrie weist einen verjüngenden und sich anschließend entlang einer Fase erweiternden Querschnitt auf, ähnlich einer Senkbohrung, nachfolgend als Fasendüsenaustritt bezeichnet. Bei diesen Düsengeometrien löst sich der Vollstrahl an der Stelle mit dem kleinsten Querschnitt von der Wand ab und tritt weiterhin als Vollstrahl mit geringfügigen Einbüßen an Stabilität aus, während das Spray durch Entlanggleiten an der sich im Querschnitt nochmals erweiternden Austrittsgeometrie, Radius oder Fase, einen noch größeren Sprühwinkel erreichen kann.
Vorzugsweise ist die Vorrichtung als eine Reinigungsdüse ausgeführt und zur Abgabe einer Reinigungsflüssigkeit vorgesehen. Wie eingangs erläutert, ist gerade bei Reinigungsvorgängen häufig ein Wechsel der Strahlform notwendig, um effizient und mit hoher Wirksamkeit reinigen zu können.
Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin gelöst durch eine Düsenanordnung, die wenigstens zwei Düsen der zuvor beschriebenen Art umfasst. In diese tritt ein Fluid über einen zumindest strömungstechnisch mit einer Zuleitung verbundenen Fluidanschluss oder alternativ über separate Fluidanschlüsse mit jeweils einstellbarem Fluiddruck in jeder Zuleitung zu einer der Düsen ein.
Nach der Erfindung sind wenigstens zwei der Düsen Vorrichtungen, wie sie zuvor beschrieben wurden, und weisen Ventile mit jeweils separat einstellbaren Schaltpunktdrücken auf, die auch unterschiedlich eingestellt sein können, um die gewünschte Funktion zu erreichen. In der Folge können die Ventile in Abhängigkeit vom anliegenden Fluiddruck unterschiedlich geschaltet werden. Der Austritt des Vollstrahls und des kegelförmigen Sprays kann in der Weise variiert werden, dass alle oder ein Teil der Vorrichtungen den linearen Vollstrahl oder das Spray abgeben.
Bei einer solchen Anwendung mehrerer Düsen im Parallelbetrieb wird ein vom Druck der Betriebsflüssigkeit, dem Fluid, gesteuertes Ventil eingesetzt und mehrere Düsen werden an eine Druckleitung, die Fluidleitung, angeschlossen. Damit können verschiedene Betriebszustände realisiert werden. Wenn alle Düsen den gleichen Schaltpunkt aufweisen, können alle Düsen entweder das Spray oder den Vollstrahl erzeugen. Wenn die einzelnen Düsen verschiedene Schaltpunkte aufweisen, gibt es zusätzliche Betriebszustände, bei denen Spray und Vollstrahl gleichzeitig mit verschiedenen Düsen erzeugt werden (Hybridbetrieb). Dabei ist nur eine Steuerleitung (die Fluidleitung) notwendig, um den gewünschten Betriebszustand gezielt einzustellen. Das Gesamtsystem ist dadurch noch flexibler einsetzbar.
Damit können beispielsweise unterschiedliche Reinigungsprozesse oder, im Fall von unterschiedlichen Zuleitungen, sogar die Anwendung verschiedener Reinigungsmittel zeitgleich vollzogen werden. Wenn die Ventile als pneumatisch vorgespannte Membranventile ausgebildet sind, können die unterschiedlichen Schaltpunktdrücke variabel und bedarfsgerecht voreingestellt und auch später noch verändert werden.
Eine weitere Lösung der Aufgabe der Erfindung besteht in einem Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur einstellbaren Beeinflussung eines Fluids beim Übertritt in den freien Raum aus einem Düsenaustritt, wie sie zuvor beschrieben wurde. Der Verfahrensablauf umfasst zwei unterschiedliche Einstellungen bzw. Prozessstufen.
Nach der Erfindung tritt in der ersten Einstellung der lineare Vollstrahl aus, indem das erste Fluid das geöffnete Ventil passiert und zusammen mit der zweiten Fluidströmung in die Drallkammer eintritt. Dabei hat sich überraschenderweise gezeigt, dass der Einfluss der zweiten Strömung in der Drallkammer nicht zur Zerstörung des Vollstrahls führt. Die Kollision der Fluidströmungen und die Gestaltung der Düsengeometrie im Übrigen, insbesondere die Verjüngung im Düsenaustritt, führen dazu, dass der durch die zweite Fluidströmung eingebrachte Drall im nachfolgenden Düsenabschnitt stark verringert wird und die Strömung letztlich als Vollstrahl austritt. Eine zusätzliche Beeinflussung der zweiten Fluidströmung kann daher unterbleiben, was zu einer erheblichen Vereinfachung führt.
In der zweiten Einstellung tritt das kegelförmige Spray aus, indem die erste Fluidströmung durch das geschlossene Ventil gehindert wird, in die Drallkammer einzutreten und dort die Ausbildung des Dralls der zweiten Fluidströmung zu stören. Durch den Drall, den die zweite Fluidströmung erfährt, kommt es zur Bildung des Sprays als der gewünschten Strahlform am Düsenaustritt.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das geschlossene Ventil an einem Schaltpunktdruck bei Erreichen eines Öffnungsdruckbereichs öffnet und das geöffnete Ventil bei Erreichen eines Schließdruckbereichs der ersten Fluidströmung geschlossen wird. In dem Zwischenbereich zwischen dem Öffnungsdruckbereich und dem Schließdruckbereich, wobei der Zwischenbereich den Schaltpunktdruck definiert, vollzieht sich der Prozess des Umschaltens des Ventils von der geschlossenen Stellung in die geöffnete Stellung oder umgekehrt. Demnach vollzieht sich der Prozess des Umschaltens bei Erreichen eines Öffnungsdruckbereichs bzw. bei Erreichen eines Schließdruckbereichs, je nach Änderungsrichtung des Fluiddrucks. Vom Erreichen des Öffnungsdruckbereichs an ist das Ventil bei ansteigendem Fluiddruck geöffnet und umgekehrt, bei sinkendem Fluiddruck, vom Erreichen des Schließdruckbereichs an geschlossen. Dies gilt, wenn der Öffnungsdruckbereich über dem Schließdruckbereich liegt, anderenfalls ist das Verhalten umgekehrt. Damit werden in Abhängigkeit vom Fluiddruck, der an dem drucksensitiven Ventil anliegt, wie oben beschrieben, über die Steuerung der ersten Fluidströmung letztlich die erste und die zweite Einstellung der Strahlform erreicht.
Der Zwischenbereich zwischen dem Öffnungsdruckbereich und dem Schließdruckbereich ist sehr klein, weshalb die aus dem Zwischenbereich resultierende minimale Hysterese vernachlässigt und der kleine Zwischenbereich als Schaltpunkt betrachtet werden kann. Beispielhaft sei der Niederdruckbereich von p=1,0 bar bis p=6,0 bar genannt, der für die industrielle Reinigung bei der Konsumgüterproduktion primär relevant ist. In diesem Bereich schaltet das Membranventil bei einer Druckänderung des Fluids von p=0,1 bar, also in einem sehr kleinen Zwischenbereich bezogen auf den gesamten Arbeitsbereich, der somit als Schaltpunkt bzw. auf den Fluiddruck bezogen als Schaltpunktdruck angesehen wird.
Bevorzugt ist demnach eine Variante, bei der keine Hysterese auftritt und der Schließdruckbereich unmittelbar an den Öffnungsdruckbereich grenzt, sodass es zu dem oben beschriebenen Schaltpunkt kommt, an dem sich der Prozess des Schaltens vollzieht. Dabei liegt entweder der Öffnungsdruckbereich der ersten Fluidströmung über dem Schließdruckbereich oder alternativ dazu der Schließdruckbereich über dem Öffnungsdruckbereich.
Vorteilhafterweise weist die erste Fluidströmung einen höheren Volumenstrom auf als die zweite Fluidströmung. Dies kann am Kreuzungspunkt der Leitungen beim Eintritt der Strömungen in die Drallkammer durch Wahl eines geeigneten Verhältnisses der Leitungsquerschnittsflächen zueinander realisiert werden. Besonders vorteilhaft ist eine Querschnittsfläche der ersten Fluidleitung, die beispielsweise um ein 2,5-faches bis 4,2-faches größer ist als die summierte Kreisfläche aller zweiten Fluidleitungen bzw. der tangentialen Bohrungen.
Insbesondere bei der Erzeugung von Sprays mittels Zweistoffdüsen, bei denen das Fluid mit einer Gasphase gemischt wird, treten Zustände ein, in denen das Spray ohne Einbringung von zusätzlicher Energie eigenständig periodisch pulsiert. Dieses Phänomen, das als „Selbstpulsation“ bezeichnet wird, ist durch deutlich sichtbare und hörbare Oszillationen im Spray charakterisiert. Das pulsierende Spray formt dabei deutlich erkennbare Strukturen (häufig auch als eine „Weihnachtsbaum“-artige Struktur beschrieben).
Während der Selbstpulsation tritt eine periodische Variation des Massestroms und des Sprühwinkels auf. Dadurch wird im Vergleich zu nicht-pulsierenden Sprays eine über längere Zeit gleichmäßigere örtliche Verteilung des Massestroms ermöglicht und dadurch eine insgesamt größere Fläche benetzt. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Tropfengröße, gemessen am mittleren Sauter-Durchmesser (SMD), für pulsierende Sprays gegenüber nicht-pulsierenden Sprays durchschnittlich größer ausfällt.
Für Zweistoffdüsen, bei denen die Betriebsflüssigkeit mit einer Gasphase gemischt wird, wird als Auslöser der Selbstpulsation, ein periodisches Blockieren des Gasspalts durch den Flüssigkeitsfilm angenommen. Auch bei Einstoffdüsen ist das Phänomen bekannt. Im Fokus von Untersuchungen standen insbesondere Rücklaufdüsen (englisch Spill-Return- oder Spillback-Düsen), bei denen das Fluid tangential in eine Drallkammer eingeleitet wird und ein Teil des Fluids über eine oder mehrere axiale Öffnungen entgegen der Ausströmungsrichtung aus der Drallkammer zurückfließen kann. Starke Pulsation kann auch dann auftreten, wenn keine axiale Öffnung vorhanden ist. Es wird als Ursache vermutet, dass in diesen Fällen der Luftkern, der sich im Inneren der Drallkammer solcher Düsen bildet, unter bestimmten Bedingungen instabil wird und so die Selbstpulsation hervorruft.
Je nach Anforderung an den Prozess wird die Selbstpulsation als zu vermeidendes oder nützliches Phänomen angesehen. Steht eine Zerstäubung in möglichst kleine Tropfen im Fokus, ist von der Anwendung pulsierender Sprays abzuraten. Wird jedoch eine großflächige, gleichmäßige Benetzung und die Übertragung mechanischer Stoßkräfte durch die Tropfen auf die beaufschlagte Oberfläche angestrebt, ist die Selbstpulsation gegenüber nicht-pulsierenden Sprays vorteilhaft.
Da die Auslegung selbstpulsierender Düsen aufgrund der komplexen Zusammenhänge noch Gegenstand aktueller Forschung ist, werden pulsierende Sprays in industriellen Prozessen meist mittels vor der Düse im Zustrom platzierten Ventile erzeugt, die periodisch schalten und so die Flüssigkeitszufuhr unterbrechen. Damit gehen jedoch erhebliche Druckverluste einher und im Vergleich zur Selbstpulsation werden kleinere Tropfengrößen beobachtet, so dass eine andere Zerstäubungscharakteristik vorherrscht als beim Einsatz selbstpulsierender Düsen.
Es gibt Bereiche des Fluiddrucks, in denen die im Spray-Modus betriebene Düse, in dem nur die zweite Fluidströmung in die Drallkammer eintritt, das Phänomen der Selbstpulsation zeigt. Die Selbstpulsation am Düsenaustritt entsteht unter einem Pulsationsdruck, einem im Wesentlichen konstanten Fluiddruck in der zweiten Fluidleitung, der dennoch überraschenderweise dazu führt, dass das austretende Spray pulsiert. Da der Effekt nicht nur unter einem diskreten Fluiddruck, sondern über einen Druckbereich hinweg entsteht, wird der betreffende Druckbereich als Pulsationsdruckbereich bezeichnet. Je nach gewählter Düsengeometrie kann es keinen, einen oder mehrere solcher Pulsationsdruckbereiche geben, in denen der Pulsationseffekt auftritt. Häufig entstehen maximal zwei Pulsationsdruckbereiche.
Es wurde festgestellt, dass der Bereich des Fluiddrucks, in dem Selbstpulsation auftrat, von der Düsengeometrie, insbesondere dem Durchmesser des Düsenaustritts sowie dem Verhältnis der summierten Querschnittsflächen aller zweiten Fluidleitungen zur Querschnittsfläche der ersten Fluidleitung, abhängt. Weiterhin hat die Vorspannung des Ventils einen Einfluss auf den Bereich des Fluiddrucks, in dem Selbstpulsation auftritt.
Wird für eine ansonsten gleichbleibende Düsengeometrie ausschließlich der Durchmesser des Düsenaustritts, beispielsweise durch Umrüsten, vergrößert, lässt sich eine tendenziell stärker ausgeprägte Pulsation realisieren.
Damit lässt sich die vorgestellte Düse je nach Prozessanforderung verschieden auslegen. Entweder wird die Düse so ausgelegt, dass sie keinen Bereich des Fluiddrucks aufweist, in dem Selbstpulsation auftritt, so dass bei geschlossenem Ventil ausschließlich ein nicht-pulsierendes Spray und bei geöffnetem Ventil ein Vollstrahl erzeugt werden. Oder die Düse wird so ausgelegt, dass sie einen oder mehrere Bereiche des Fluiddrucks aufweist, in dem Selbstpulsation auftritt, so dass bei geschlossenem Ventil je nach Betriebsdruck ein nicht-pulsierendes oder ein pulsierendes Spray und bei geöffnetem Ventil ein Vollstrahl erzeugt werden.
Die Möglichkeit, dass eine Auslegung zur Düse mit Selbstpulsation erfolgen kann, hat den Vorteil, dass keine zusätzlichen Ventile zur Realisierung der Pulsation eingesetzt werden müssen. Damit entfallen auch zusätzliche Steuerleitungen und der Zustand des pulsierenden Sprays kann komfortabel über die Druckleitung durch Anpassung des Fluiddrucks eingestellt werden, wie es auch für den Wechsel von Spray und Strahl möglich ist.
Insbesondere für Reinigungsprozesse, wie dies auch bei der vorliegenden Erfindung angestrebt wird, kann der Einsatz von pulsierendem Spray gegenüber einem kontinuierlichem Spray Vorteile bieten, da sich einige industrietypische Verschmutzungen nachweislich effizienter reinigen lassen, wenn die Flüssigkeit diskontinuierlich auf die zu reinigende Oberfläche trifft. Im Vergleich zu kontinuierlichen Sprays bildet sich dabei auf der beaufschlagten Oberfläche keine stationäre Filmströmung aus, sondern die Fluidmenge strömt nach ihrem Aufprall auf die verschmutzte Oberfläche zur Seite ab. Die nachfolgende Fluidmenge trifft somit ungedämpft direkt auf die Verschmutzung und ermöglicht dadurch die Übertragung größerer Stoßkräfte. Auch die im Vergleich zu nicht-pulsierenden Sprays durchschnittlich größeren Tropfen ermöglichen die Übertragung erhöhter Impulse auf die Verschmutzung. Diese Eigenschaften des pulsierenden Sprays wirken sich insbesondere auf Verschmutzungen, die sich unter Einwirkung mechanischer Kräfte verbessert reinigen lassen, vorteilhaft aus. Insbesondere für quellfähige Verschmutzungen werden beim Einsatz pulsierender Sprays weiterhin dank des größeren Sprühwinkels und der gleichmäßigeren Benetzung über einen großen Bereich der verschmutzten Fläche Quellungsprozesse verstärkt angeregt. Diese schwächen die Bindungskräfte innerhalb der Verschmutzungen und verringern die für die Reinigung benötigten mechanischen Kräfte zusätzlich.
Die erfindungsgemäße Düse ermöglicht auch ohne Pulsationseffekte einen einstellbaren Wechsel zwischen den Strahlformen „Spray“ und „Vollstrahl“, um die jeweilige Strahlform bedarfsgerecht nutzen zu können. Das hat zur Folge, dass die Öffnung am Düsenaustritt unverändert in Fläche und Geometrie bleibt, dennoch können sowohl Spray als auch Vollstrahl austreten. Das Umschalten der Düse zwischen den Strahlformen wird nach einer vorteilhaften Weiterbildung allein durch den Druck des Fluids, der Betriebsflüssigkeit (z. B. Wasser oder Reinigungsfluid), gesteuert, so dass keine zusätzlichen Steuerleitungen notwendig sind.
Die Düse erlaubt im Parallelbetrieb mit mehreren gleichartigen Düsen auch einen Hybridbetrieb von Vollstrahl und Spray, insbesondere dann, wenn ein vom Druck der Betriebsflüssigkeit gesteuertes Ventil genutzt wird und die Schaltdrücke der einzelnen Düsen verschieden eingestellt werden, so dass mehr als nur zwei Betriebsmodi für das Gesamtsystem bedarfsgerecht einstellbar sind.
Besondere Vorteile liegen in dem Wirkprinzip der Düse mit Verzweigung, Ventil und Zusammenführung in der Drallkammer, wobei je nach Richtung der Strömungseinleitung überlagerte Geometrien für Vollstrahl und Spray erzielt werden können. Bei ausschließlich tangentialer Einströmung wird das Spray erzeugt und bei überlagerter Einströmung von axialer und tangentialer Einströmung entsteht der Vollstrahl. Die bevorzugte Ausführungsvariante des Ventils ermöglicht das druckgesteuerte Schalten. Der Zwischenbereich zwischen dem Öffnungsdruckbereich und dem Schließdruckbereich, in dem das Umschalten zwischen geöffnetem und geschlossenem Ventil erfolgt, oder der Schaltpunkt, wenn das Umschalten zwischen geöffnetem und geschlossenem Ventil hysteresefrei praktisch ohne nennenswerten Zwischenbereich erfolgt, ist dabei durch geometrische Parameter der Düse bzw. die Vorspannung des Federelements oder mittels pneumatischen Drucks einstellbar. Nach einmaliger Einstellung erfolgt ein zuverlässiges und wiederholbares Umschalten.
Im Unterschied zu vorbekannten Düsen entsteht bei Überlagerung der Teilströme jedoch ein Vollstrahl, was für die Funktionsweise und Handhabung der Düse einen entscheidenden Unterschied darstellt. Dadurch ist auch der Einsatz von nur einem Ventil im axialen Zulauf ausreichend, um die Funktion zu gewährleisten. Das Spray wird in der vorliegenden Erfindung außerdem ohne Strömungskollision realisiert, sodass dabei kollisionsverursachte Druckverluste vermieden werden können.
Weitere Vorteile bestehen in dem einfachen bedarfsgerechten Wechsel der Strahlform (Vollstrahl oder Spray), der direkt über die Druckleitung gesteuert werden kann, wenn ein vom Druck der Betriebsflüssigkeit gesteuertes Ventil verwendet wird. Der Druck der Betriebsflüssigkeit, der zur Betätigung des Ventils genutzt wird, ist eine sehr gut steuerbare Größe, die keine zusätzliche Steuerleitung benötigt und damit Vorteile gegenüber elektrischen Steuerleitungen oder manueller Verstellung aufweist.
Durch die Möglichkeit eines Umschaltens der Strahlform mittels Anpassung des Drucks der Betriebsflüssigkeit ist die Düse für bestehende Geräte gut nachrüstbar. Vorteile bieten sich insbesondere für Geräte, die beweglich bzw. rotierend arbeiten, wie rotierende Reinigungsgeräte oder Roboter, die höhere Anforderungen bezüglich der Dichtheit (z. B. Strahlwasserschutz) stellen oder sich prozessbedingt oder aus Gründen des Arbeitsschutzes außerhalb der Reichweite für einen manuellen Eingriff befinden.
Da das Umschalten der Strahlform gemäß der besonders bevorzugten Ausführungsform in einem sehr kleinen Druckbereich erfolgt, kann dieser als ein Schaltpunkt betrachtet werden, der für die industrielle Auslegung des erfindungsgemäßen Systems Vorteile aufweist, da der gesamte einstellbare Druckbereich als Prozessfenster nutzbar ist. Es gibt praktisch keine Druckbereiche, die aufgrund des Umschaltens nicht für den Prozess nutzbar sind, denn es liegen stets Spray oder Vollstrahl vor.
Durch einmalige Veränderung der Vorspannung des Ventils oder der Düsengeometrie (z. B. Düsendurchmesser) kann der gewünschte Schaltdruck sehr einfach eingestellt werden. Danach erfolgt das Schalten stets zuverlässig und wiederholbar beim selben Schaltpunktdruck.
Als Düsenaustritt können, neben den oben beschriebenen Sondergeometrien, handelsübliche Vollstrahldüsen genutzt werden, die einfach austauschbar sind, wenn geometrische Eigenschaften des Düsenaustritts, zum Beispiel der Düsendurchmesser, geändert werden sollen.
Da die Zerstäubung bei der Erzeugung des Sprays auf einer in Drall versetzten Strömung beruht, können ähnliche Zerstäubungseigenschaften wie mit industriellen, ebenfalls drallbasierten Vollkegeldüsen oder Hohlkegeldüsen erzeugt werden. Unkontrolliertes Zerstäuben oder Druckverluste, wie bei der Zerstäubung durch Kollision von zwei Strömungen, werden damit vermieden. Bekannte Düsen geben zumeist ein Spray ab, das die Form eines Hohlkegels aufweist. Bei der Erfindung hingegen besitzt das Spray regelmäßig die Form eines Vollkegels mit der Folge, dass die gesamte Fläche insgesamt gleichmäßig benetzt wird.
Alternativ zur Form eines Vollkegels kann aber auch die Form eines Hohlkegels angestrebt werden, falls dies gewünscht ist. Ein Hohlkegel wird erreicht, indem der Querschnitt der tangentialen Strömung sehr klein oder die Verjüngung beim Düsenaustritt sehr kurz gestaltet wird, was den Gestaltungsrichtlinien für Hohlkegeldüsen entsprechen würde. Grundlegend ermöglicht ein Hohlkegel gegenüber einem Vollkegel eine Zerstäubung des Sprays in noch kleinere Tropfen, weil es mehr Möglichkeiten zur Interaktion und Reibung der Tropfen mit der Umgebungsluft gibt. Es ist darüber hinaus vorgesehen, durch den Einsatz entsprechend ausgebildeter Düsen einen Wechsel zwischen Hohlkegel und Vollstrahl hervorzurufen, um die Vorteile beider Strahlformen zu kombinieren und wechselweise abzurufen.
Durch den Parallelbetrieb mit mehreren Düsen, die jeweils verschiedene Schaltpunkte aufweisen, werden neben Spray und Vollstrahl weitere Betriebszustände ermöglicht, bei denen Spray und Vollstrahl gleichzeitig mit verschiedenen Düsen erzeugt werden (Hybridbetrieb). Dabei ist nach wie vor nur eine Steuerleitung, die Druckleitung zur Zuführung des Fluids, notwendig, um den gewünschten Betriebszustand gezielt einzustellen. Dies erlaubt viele neue Anwendungsfälle für ein Gesamtsystem, in das die Düsen eingebettet sind.
Ein weiterer Vorteil liegt auch in nur einem Düsenaustritt, der in seiner Geometrie unveränderlich ist. Die Strahlachsen beider Strahlformen sind identisch, so dass keine Relativverschiebung zwischen dem System und dem anvisierten lokalen Ziel vorgenommen und berechnet werden muss, wie es der Fall ist, wenn ein lokales Ziel nacheinander mit beiden Strahlformen einer Düse getroffen werden soll. Wird ein bei hohem Druck öffnendes Ventil genutzt, kann bei kleinem Betriebsdruck ein Spray und bei großem Betriebsdruck ein Vollstrahl erzeugt werden. Dies hat insbesondere für Prozesse, bei denen große mechanische Kräfte mit dem Vollstrahl übertragen werden sollen, Vorteile. Hierzu zählen vor allem Reinigungsprozesse.
Anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und ihrer Darstellung in den zugehörigen Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:

1: schematisch eine längs geschnittene Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Düse mit einem längs und einem quer geschnittenen Detail;
2: schematisch eine längs geschnittene Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Düse mit zwei unterschiedlichen Ventilstellungen und den resultierenden Strahlformen;
3: schematisch eine längs geschnittene Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Düse mit zwei unterschiedlichen Ventilstellungen eines Membranventils und den resultierenden Strahlformen;
4: schematisch eine längs geschnittene Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Düse mit zwei unterschiedlichen Ventilstellungen eines Federventils und den resultierenden Strahlformen;
5: schematisch eine längs geschnittene Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Düse mit zwei unterschiedlichen Ventilstellungen eines Ventils mit kompressiblem Ventilkörper und den resultierenden Strahlformen;
6: schematisch drei längs geschnittene Ansichten einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Düse in Doppelanordnung mit einer Fluidzuführung;
7: schematisch vier längs geschnittene Ansichten einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Düse in Doppelanordnung mit separater Fluidzuführung;
8: schematisch eine geschnittene Seitenansicht einer Ausführungsform eines Düsenaustritts, ausgeführt als ein Vollstrahldüsenaustritt;
9: schematisch eine geschnittene Seitenansicht einer Ausführungsform eines Düsenaustritts, ausgeführt als ein Fasendüsenaustritt;
10: schematisch eine geschnittene Seitenansicht einer Ausführungsform eines Düsenaustritts, ausgeführt als ein Radiusdüsenaustritt;
11: schematisch eine geschnittene Seitenansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Düse und
12: schematisch eine Ansicht von oben einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Düse.

1 zeigt schematisch eine längs geschnittene Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Düse 1 mit einem quer geschnittenen Detail, dem Schnitt A-A, und einem längs geschnittenen Detail, dem Ausschnitt aus Rahmen B, der das Geschehen in der Drallkammer 6 des Düsenkörpers 2 veranschaulicht. Die Darstellung erfolgte zweckmäßig zur Vereinfachung und zur besseren Übersicht aller wesentlichen Leitungen in Abweichung von einer normgerechten Darstellung, indem in der linken Ansicht eine zweite Fluidleitung 10 geschnitten dargestellt wurde, obwohl sie nicht in der zentral gewählten Schnittebene liegt. Auch eine zentral geschnittene Drallkammer 6 würde bei normgerechter Darstellung nicht den vertikalen Abschnitt der zweiten Fluidleitung 10 geschnitten zeigen, sondern nur die Öffnung ihres Eintritts in die Drallkammer 6, die bedingt durch den tangentialen Eintrittsort beim Durchdringen der Wand der Drallkammer 6 eine ovale Kontur aufweisen würde.
Die Düse 1 besteht aus einem Fluidanschluss 3, der die Schnittstelle zum vorgeschalteten Gerät, z. B. einem Tankreiniger oder einem Roboter, darstellt, und einem Düsenaustritt 4, aus dem das Fluid in der gewünschten Strahlform 30, 32 ausströmt, sowie eine Verzweigung 16 für das Aufteilen der Fluidströmung in zwei Teilströme sowie eine Zusammenführung in der Drallkammer 6 für ein erneutes Zusammenfließen der Teilströme. Von den zwei Teilströmungen verläuft ein Teilstrom, die erste Fluidströmung 12, annähernd axial zur Hauptströmungsrichtung entlang der Achsrichtung 9, während ein anderer Teilstrom, die zweite Fluidströmung 14, bei der Verzweigung 16 und der Zusammenführung in der Drallkammer 6 nichtaxial zur Hauptströmungsrichtung, hier senkrecht ausgerichtet ist. Der nichtaxiale Teilstrom, die zweite Fluidströmung 14, läuft tangential in die Zusammenführung, die Drallkammer 6, ein, um eine mit Drall behaftete Strömung zum Austritt aus dem Düsenaustritt 4 als Strahl in der gewünschten Strahlform 30, 32 zu erzeugen.
Der Bereich zwischen der Zusammenführung in der Drallkammer 6 und dem Düsenaustritt 4 ist annähernd strömungsstetig gestaltet, ohne sprunghafte Geometrieänderung, und weist vorzugsweise über den gesamten Verlauf bis zum Erreichen der Verjüngung nahe des Düsenaustritts 4 in Achsrichtung 9 einen konstanten Querschnitt auf.
Zwischen Verzweigung 16 und Drallkammer 6 befindet sich ein Ventil 20, mit dem der axiale Teilstrom, die erste Fluidströmung 12, entweder gesperrt oder durchgeschaltet werden kann. Das Ventil 20 öffnet und schließt vorzugsweise in Abhängigkeit einer eingestellten konstanten Vorspannung und in Abhängigkeit vom Fluiddruck der Betriebsflüssigkeit, des Fluids. Der Düsenaustritt 4 kann als handelsüblicher Vollstrahldüsenaustritt ausgeführt sein, so dass verfügbare Kaufteile genutzt werden können, um z. B. den Düsendurchmesser sehr einfach durch Umrüstung und dem Einsatz einer anderen Düse anpassen zu können.
Beim Einzelbetrieb der Düse treten folgende Betriebszustände auf:

• Zustand „Spray“: Das Ventil 20 ist geschlossen und nur die nichtaxiale Teilströmung, die zweite Fluidströmung 14, gelangt in die Zusammenführung, die Drallkammer 6. Die aufgrund der tangentialen Einleitung in Drall versetzte zweite Fluidströmung 14 zerstäubt am Düsenaustritt 4 zu einem Spray 30.
• Zustand „Vollstrahl“: Das Ventil 20 ist geöffnet, die beiden Teilströmungen, die Fluidströmungen 12 und 14, treffen in der Drallkammer 6 aufeinander und das Fluid tritt als Vollstrahl 32 aus dem Düsenaustritt 4 aus.

Am Düsenkörper 2 ist der Düsenaustritt 4 angeordnet, der bevorzugt als Vollstrahldüsenaustritt ausgeführt ist und darüber hinaus weist der Düsenkörper 2 eine erste Fluidleitung 8 auf, in die das Ventil 20 eingesetzt ist, sowie eine zweite Fluidleitung 10, die das Ventil 20 überbrückt. Dazu wird die in die Düse 1 am Fluidanschluss 3 eintretende Fluidströmung an der Verzweigung 16 aufgeteilt und ein Teil strömt über die zweite Fluidleitung 10 bis zum Eintritt in die Drallkammer 6. Dazu tritt die zweite Fluidleitung 10 im Eintrittswinkel α, der in der dargestellten Ausführungsform 90° beträgt, im Bereich der Zylinderwand der zylindrischen Drallkammer 6 ein.
Sofern das Ventil 20 geschlossen ist, strömt der gesamte Volumenstrom der eintretenden Fluidströmung über die zweite Fluidleitung 10. Da der Eintritt der zweiten Fluidleitung 10 in die Drallkammer 6 im Bereich einer Tangentialfläche erfolgt, erhält die eintretende zweite Fluidströmung 14 einen Drall, sie strömt um die Achse 9. Auf der Tangentialfläche wird der Eintrittswinkel α bevorzugt zwischen 60° und 90° eingestellt. Den Drall behält das Fluid bei, wenn es aus der Drallkammer 6 heraus zum Düsenaustritt 4 fortschreitet und dort in Form eines kegelförmigen Sprays 30 den Düsenaustritt 4 verlässt. Sobald jedoch das Ventil 20 geöffnet wird, wird der Drall der zweiten Fluidströmung 14 durch die ebenfalls in die Drallkammer 6 eintretende erste Fluidströmung 12 beeinflusst bzw. gestört. Das den Düsenaustritt 4 verlassende Strahlbild ändert sich, so wie nochmals nachfolgend in 2 näher erläutert.
2 zeigt schematisch eine längs geschnittene Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Düse 1 mit zwei unterschiedlichen Stellungen des Ventils 20 und den resultierenden Strahlformen, das kegelförmige Spray 30 und den Vollstrahl 32. Der Vollstrahl 30 gemäß der oberen Darstellung ergibt sich bei geschlossenem Ventil 20, wodurch keine Strömung in axialer Richtung in die Drallkammer 6 eintreten kann. Der gesamte Volumenstrom des Fluids wird in Drall versetzt und erzeugt beim Austritt aus dem Düsenaustritt 4 das kegelförmige Spray 30.
Im Unterschied dazu zeigt die untere Darstellung das geöffnete Ventil 20, durch das die erste Fluidströmung 12 in die Drallkammer 6 eintritt, dort den Drall der zweiten Fluidströmung 14 derart beeinflusst, dass ein Vollstrahl den Düsenaustritt 4 verlässt.
Das Ventil 20 öffnet und schließt vorzugsweise in Abhängigkeit des Fluiddrucks der Betriebsflüssigkeit, des Fluids. Daraus ergeben sich mögliche Ausführungsvarianten zum Schaltverhalten:

• das Ventil ist bei niedrigem Fluiddruck geschlossen und ist bei hohem Fluiddruck geöffnet oder
• das Ventil ist bei niedrigem Fluiddruck geöffnet und bei hohem Fluiddruck geschlossen.

Mögliche Ausführungsvarianten des Schließkörpers des Ventils 20 sind eine flexible, elastische Membran, ein kompressibler Schließkörper, ein starrer Schließkörper (z. B. Klappen, Schieber, Nadel, Zylinder) oder ein elastischer Schließkörper, jeweils in Verbindung mit einer Vorspannung. Der Ventilmechanismus ist so ausgelegt, dass das Öffnen bzw. Schließen wiederholbar und zuverlässig erfolgt. Der Bereich des Fluiddrucks (auch als Fluiddruckbereich bezeichnet), in dem das Umschalten erfolgt, ist sehr klein und damit praktisch als Bereich vernachlässigbar, so dass in Bezug auf den gesamten Arbeitsdruckbereich von einem Schaltpunkt oder Schaltpunktdruck gesprochen werden kann.
Mögliche Ausführungsvarianten zur Realisierung der Vorspannung sind:

• pneumatisch vorgespanntes Ventil, das einmalig vor Betrieb mit Druckluft befüllt und dann abgeriegelt wird oder
• mit mechanischer Feder vorgespanntes Ventil oder
• als kompressibler, elastischer Körper mit inhärenter Vorspannung.

Die bevorzugte Ausführungsvariante für das Ventil 20 weist folgende wechselweise einstellbare Funktion auf:

• bei geringem Fluiddruck bleibt das Ventil 20 geschlossen und nur der tangentiale Teilstrom oder die tangentialen Teilströme werden zusammengeführt. Die dadurch in Drall versetzte zweite Fluidströmung 14 erzeugt am Düsenaustritt 4 eine Strahlform Spray 30,
• bei hohem Fluiddruck ist das Ventil 20 geöffnet und das Fluid tritt als Vollstrahl 32 aus.

Der Schließkörper des vorgespannten Membranventils 22 ist als elastische Membran 21 ausgeführt, wobei die Vorspannung mittels Druckluft erreicht wird. Dieser Aufbau erlaubt eine einfache Auslegung des Schaltverhaltens für die industrielle Anwendung der Düse 1.
3 zeigt schematisch eine längs geschnittene Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Düse 1 mit zwei unterschiedlichen Stellungen eines Ventils 20 mit einem vorgespannten Membrankörper 22 und den resultierenden Strahlformen. In der linken Darstellung ist das Ventil 20 geschlossen, in dem der Membrankörper 22 über eine Druckluftzuführung 23 mit Druckluft beaufschlagt wurde. Dementsprechend ist die erste Fluidleitung 8 geschlossen und das gesamte Fluid, das in die Düse 1 eintritt, strömt über die zweite Fluidleitung 10 in die Drallkammer 6, wird dort in Drall versetzt und verlässt den Düsenaustritt 4 als kegelförmige Spray 30. Demgegenüber ist bei der rechten Darstellung der über die Druckluft in den Membrankörper des Ventils 20 eingetragene Druck so weit vermindert, dass das Ventil 20 öffnet und die erste Fluidleitung 8 öffnet. Die im Vergleich zur zweiten Fluidleitung 10 stärker dimensionierte Fluidleitung 8 stört dadurch die Ausbildung des Dralls in der Drallkammer 6 mit dem Ergebnis, dass am Düsenaustritt 4 ein Vollstrahl entsteht.
Alternativ kann zur Änderung des Luftdrucks im Membranventil 22 während des Betriebs auch ein mit Druckluft befüllter Raum als Druckluftspeicher vorgesehen sein, dessen initialer Luftdruck nur zur Änderung des Arbeitspunktes vor dem Betrieb der Düse 1 verändert wird und im Betrieb abgeriegelt bleibt. In dem Fall wird das Membranventil 22 durch den Druck des in die Düse eintretenden Fluids gesteuert. Bei einem hohen Fluiddruck p öffnet es, sobald sich der Fluiddruck p unter den eingestellten Arbeitspunkt vermindert, schließt das Membranventil 22 (wie auch jedes andere eingesetzte Ventil 20 mit einer Vorspannung) wieder, wie in der linken Darstellung gezeigt.
4 zeigt schematisch eine längs geschnittene Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Düse 1 mit einem Federventil 24, wobei zwei unterschiedliche Ventilstellungen des Federventils 24 gezeigt werden, und den resultierenden Strahlformen, kegelförmiges Spray 30 und Vollstrahl 32. An Stelle der Wirkungen der Druckluft, wie oben zu 3 erläutert, ist hier eine Feder 25 eingesetzt, deren Kraftwirkung den Arbeitspunkt des vorgespannten Federventils 24 bestimmt.
Überwindet der Fluiddruck p die Federkraft, wie in der rechten Darstellung gezeigt, tritt die axiale erste Fluidströmung 12 in die Drallkammer 6 ein und erzeugt den Vollstrahl 32 am Düsenaustritt 4. Unterschreitet der Fluiddruck p den Arbeitspunkt des Federventils 24, dann schließt das Federventil 24 und die Fluidströmung nimmt ihren Weg als zweite Fluidströmung 14 über die zweite Fluidleitung 10 in die Drallkammer 6 hinein, wo der dadurch bewirkte Drall zum Austritt eines kegelförmigen Sprays 30 führt.
5 zeigt schematisch eine längs geschnittene Ansicht einer alternativen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Düse 1 mit zwei unterschiedlichen Ventilstellungen eines Ventils mit kompressiblem Ventilkörper 26 und den resultierenden Strahlformen kegelförmiges Spray 30 und Vollstrahl 32, wie auch in den 2 bis 4 dargestellt. Im Unterschied dazu ist hier jedoch kein zusätzliches Mittel eingesetzt, das den Arbeitspunkt des Ventils 20 bestimmt, sondern ein kompressibler elastischer Ventilkörper 26 schließt sich gegen den Druck der ersten Fluidströmung 12 in der ersten Fluidleitung 8 und versperrt diese dadurch. Wird hingegen durch den Fluiddruck p der Arbeitspunkt des Ventils 20 gegen die Kraftwirkung des elastischen Ventilkörper 26 überschritten, öffnet das Ventil 20 und der Vollstrahl 32 tritt aus dem Düsenaustritt 4, nachdem die erste Fluidströmung 12 die Drallkammer 6 axial durchflossen hat.
6 zeigt schematisch drei längs geschnittene Ansichten einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Düse 1 in Doppelanordnung mit einer gemeinsamen Fluidzuführung für beide Düsen 1. Zwei Düsen sind an derselben Druckleitung angeschlossen. Dadurch liegt an beiden Düsen derselbe Druck p an. Nach der dargestellten Ausführungsform weisen beide Ventile 20 jedoch unterschiedliche Arbeitspunkte auf, sodass ein variables Strahlbild an den beiden Düsen 1 (Düse A und Düse B) erreicht werden kann.
Wenn ein vom Druck p des Fluids, der Betriebsflüssigkeit, gesteuertes Ventil 20 genutzt wird und die Düsen 1 verschiedene Schaltpunkte aufweisen, sind folgende Betriebszustände für das Gesamtsystem möglich:

• alle Düsen befinden sich im Zustand „Spray“,
• alle Düsen befinden sich im Zustand „Vollstrahl“,
• Düsen befinden sich in verschiedenen Zuständen „Spray und Vollstrahl liegen gleichzeitig und nebeneinander vor“.

Die Druckleitung, die das in die Düse eintretende Fluid führt, dient dabei zugleich als Steuerleitung, so dass mit nur einem Signal (Druck des Fluids) mehrere Zustände sehr flexibel und einfach realisiert werden können.
In der linken Darstellung liegt der Druck p am Eingang zu den beiden Düsen 1 im Schließdruckbereich, sodass beide Ventile 20 geschlossen sind, das gesamte Fluid in die beiden Drallkammern 6 jeweils über die zweite Fluidleitung 10 eintritt und das kegelförmige Spray 30 in beiden Düsen 1 erzeugt.
In der mittleren Darstellung ist der Druck p so gewählt, dass er bei einer der Düsen 1 im Öffnungsdruckbereich liegt und das Ventil 20 öffnet, bei der anderen aber noch geschlossen bleibt. In der Folge tritt ein Vollstrahl 32 und ein kegelförmiges Spray 30 aus.
Wird der Druck p weiter geändert, beispielsweise erhöht, ergibt sich ein Bild wie in der rechten Darstellung, wo der Öffnungsdruckbereich beider Ventile 20 erreicht ist, diese durchlässig sind und die gesamte Fluidströmung über die erste Fluidleitung 8 in die Drallkammer 6 eintritt und den Düsenaustritt 4 als Vollstrahl 32 bei beiden Düsen verlässt. Bei der dargestellten Ausführungsform kann ein Ventil 20 genutzt werden, das bei einem geringen Druck geschlossen und bei hohem Druck geöffnet ist. Alternativ hierzu kann auch eine umgekehrte Charakteristik vorgesehen sein, bei der das Ventil bei einem hohen Druck geschlossen und bei geringem Druck geöffnet ist.
Der Parallelbetrieb ist z. B. insbesondere für die Behälterreinigung von Bedeutung. Dabei werden mehrere Düsen 1 parallel an einem rotierenden Reinigungsgerät betrieben, das über nur eine Druckleitung verfügt.
7 zeigt schematisch vier längsgeschnittene Ansichten einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Düse 1 in Doppelanordnung mit separater Fluidzuführung, was im Unterschied zur Darstellung aus 6 zur Folge hat, dass das Strahlbild bei beiden Düsen 1 individuell eingestellt werden kann, je nachdem mit welchem Fluiddruck das Fluid auf die Düse 1 trifft. Dabei wird der Fluiddruck p₁ als niedriger Fluiddruck und der Fluiddruck p₂ als hoher Fluiddruck, jeweils in Bezug auf den Arbeitspunkt des Ventils 20, ausgewiesen. Eine alternative Ausführungsform sieht im Unterschied hierzu vor, dass das Ventil 20 bei hohem Druck geschlossen und bei einem geringen Druck geöffnet ist.
Zustand 1 zeigt bei beiden Düsen 1 den niedrigen Fluiddruck p₁, der unterhalb des Arbeitspunktes des Ventils 20 liegt, sodass dieses geschlossen bleibt. Die Folge sind kegelförmige Sprays 32 an beiden Düsenaustritten 4. Bei Zustand 2 erhält die linke Düse 1 den höheren Fluiddruck p₂, sodass das Ventil 20 die Fluidströmung axial durchlässt und am Düsenaustritt 4 ein Vollstrahl 32 entsteht, während die rechte Düse 1 bei geschlossenem Ventil 20 weiterhin das Spray 30 abgibt. Bei Zustand 3 ist dies genau umgekehrt in Bezug auf Zustand 2; die Druckverhältnisse am Eingang der beiden Düsen 1 sind umgekehrt. Bei Zustand 4 hingegen liegt an beiden Düsen 1 der höhere Fluiddruck p₂ an, das Ventil öffnet und beide Düsen geben den Vollstrahl 32 ab.
8 zeigt einen Vollstrahldüsenaustritt 4 einer Düse 1 im Detail. Der Vollstrahldüsenaustritt 4 ist ein einfach und günstig verfügbares Standardbauteil. Aus dem Düsenaustritt 4 tritt der Vollstrahl 32 (vgl. 2 bis 7) aus, wenn das Ventil 20 (vgl. 1 bis 7) die erste Fluidleitung 8 freigibt. Aus dem Düsenaustritt 4 tritt hingegen das Spray 30 aus, wenn das Ventil 20 die erste Fluidleitung 8 sperrt, sodass nur die wenigstens eine zweite Fluidströmung 14 in die Drallkammer 6 eintritt.
9 zeigt einen Fasendüsenaustritt 42 und 10 zeigt einen Radiusdüsenaustritt 46 einer Düse 1 im Detail. Bei diesen Düsengeometrien löst sich der Vollstrahl 32 an der Stelle mit dem kleinsten Querschnitt von der Wand ab und tritt weiterhin als Vollstrahl 32 mit geringfügigen Einbüßen an Stabilität aus, während das Spray 30 durch Entlanggleiten an der sich im Querschnitt nochmals erweiternden Austrittsgeometrie, Radius oder Fase, einen noch größeren Sprühwinkel erreichen kann.
11 zeigt eine geschnittene Seitenansicht und 12 zeigt eine Ansicht von oben einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Düse 1. Dabei ist an der linken Seite des Düsenkörpers 2 der Fluidanschluss 3 zu erkennen, an dem das Fluid eintritt, in Strömungsrichtung (Pfeil) gefolgt von der Verzweigung 16 an der das Fluid sich zwischen der ersten Fluidleitung 8 und der zweiten Fluidleitung 10 aufteilt. Hierzu ist eine Steckverschraubung 17 vorgesehen, mit der die zweite Fluidleitung 10 an dem Ventilkörper 2 eingesetzt ist. Im weiteren Verlauf ist die zweite Fluidleitung 10 als ein Medienschlauch 11 ausgeführt, bis sie im Bereich der Drallkammer 6 mittels einer weiteren Steckverschraubung 17 wieder in den Ventilkörper 2 eintritt. An der rechten Seite des Ventilkörpers 2 ist der Düsenaustritt 4 angesetzt, in der hier dargestellten bevorzugten Ausführungsform als eine standardmäßig erhältliche Vollstrahldüse ausgeführt.
Zentral im Ventilkörper 2 angeordnet ist das Ventil 20, das bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform eine Membranhülse 28 und die Membran 21 aufweist. Das Ventil 20 wird durch eine Düsenverschraubung 3 gehalten, die die beiden Teile des Düsenkörpers 2 aneinander fügt. Zwischen Düsenverschraubung 3 und Düsenkörper 2 ist jeweils ein Dichtring 5 eingesetzt.
Die Düse verfügt weiterhin über ein Rückschlagventil 18, das ebenfalls über eine Steckverschraubung 17 mit Düsenverschraubung 3 verbunden ist. Das Rückschlagventil 18 dient zur werkzeuglosen Schnellbefüllung des Ventils mit einem Gas, z. B. Druckluft, ohne dass dieses zurückströmt (Abriegelungsfunktion). Das Befüllen mit Druckluft ist werkzeuglos möglich, zum Entlüften ist eine nicht dargestellte Entlüftungsschraube auf der Gegenseite der Düsenverschraubung vorgesehen.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung, Düse
2: Düsenkörper
3: Fluidanschluss
4: Düsenaustritt, Vollstrahldüsenaustritt
5: Dichtring
6: Drallkammer
9: Achsrichtung
8: erste Fluidleitung
10: zweite Fluidleitung
11: Medienschlauch
12: erste Fluidströmung
14: zweite Fluidströmung
16: Verzweigung
17: Steckverschraubung
18: Rückschlagventil
20: Ventil
21: Membran
22: vorgespanntes Membranventil
23: Druckluftzuführung
24: vorgespanntes Federventil
25: Federanordnung
26: kompressibler, elastischer Ventilkörper
28: Membranhülse
30: Strahlform kegelförmiges Spray
32: Strahlform Vollstrahl
42: Austrittsdurchbruch
44: Fasendüsenaustritt
46: Radiusdüsenaustritt
α: Eintrittswinkel
p: Fluiddruck

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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US 3746262 A [0012]

Claims

Vorrichtung zur einstellbaren Beeinflussung eines Fluids beim Übertritt in den freien Raum aus einem Düsenaustritt (4), umfassend eine erste Fluidleitung (8), wenigstens eine zweite Fluidleitung (10), eine Drallkammer (6), in die die erste Fluidleitung (8) zentral in einer Achsrichtung (9) und die wenigstens eine zweite Fluidleitung (10) in einer Zylinderwand der Drallkammer (6) auf einer tangentialen Ebene in einem von einer Achsrichtung abweichenden Eintrittswinkel α eintreten, wobei eine erste Fluidströmung (12) in der ersten Fluidleitung (8) in axialer Richtung zu einem Düsenaustritt (4) hin strömt und wenigstens eine zweite Fluidströmung (14) in der wenigstens einen zweiten Fluidleitung (10) an der Zylinderwand in die Drallkammer (6) eintritt, wobei die Vereinigung beider Fluidströmungen (12, 14) in der Drallkammer (6) bewirkt, dass in Abhängigkeit von der Differenz zwischen den Volumenströmen der ersten Fluidströmung (8) und der zweiten Fluidströmung (10) unterschiedliche Strahlgeometrien in den freien Raum aus dem sich an die Drallkammer (6) anschließenden Düsenaustritt (4) austreten, die zwischen einem linearen Vollstrahl (32) und einem kegelförmigen Spray (30) variierbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fluidleitung (8) ein Ventil (20, 22, 24) zur Einstellung des Volumenstroms der ersten Fluidströmung (12), der die Drallkammer (6) erreicht, aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei aus dem Düsenaustritt (4) der Vollstrahl (32) austritt, wenn das geöffnete Ventil (6) die erste Fluidleitung (12) freigibt, und aus dem Düsenaustritt (4) das Spray (30) austritt, wenn das geschlossene Ventil (20, 22, 24) die erste Fluidleitung (12) sperrt, sodass nur die wenigstens eine zweite Fluidströmung (14) in die Drallkammer (6) eintritt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Ventil (20, 22, 24) entsprechend dem Fluiddruck p, der am Eingang des Ventils (20, 22, 24) anliegt, druckabhängig arbeitet und in einem ersten Fluiddruckbereich in Bezug auf einen Schaltpunktdruck des Ventils (20, 22, 24) geöffnet ist und in einem zweiten Fluiddruckbereich geschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Ventil (20) einen kompressiblen und elastischen Ventilkörper (26) umfasst oder als ein vorgespanntes Membranventil (22) oder ein mit mechanischer Federanordnung (25), die auf einen starren Schließkörper wirkt, vorgespanntes Federventil (24) ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Eintrittswinkel α der zweiten Fluidleitung (10) zwischen 60° und 90°, bezogen auf die Achsrichtung (9), beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Drallkammer (6) zwischen dem Ort des Eintritts der wenigstens einen zweiten Fluidleitung (10) und dem Düsenaustritt (4) strömungsstetig ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Querschnitte der ersten Fluidleitung (8) und der Drallkammer (6) übereinstimmen und entlang der Achsrichtung (9) konstant sind.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Fluidleitung (8) und die wenigstens eine zweite Fluidleitung (10) aus wenigstens einer Verzweigung (16) hervorgehen, in der eine am Fluidanschluss (3) eintretende Fluidströmung in Teilströme, die erste Fluidströmung (12) und wenigstens eine zweite Fluidströmung (14), aufgeteilt wird, wobei die wenigstens eine Verzweigung (16) in Strömungsrichtung vor dem Ventil (20, 22, 24) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Fluidleitung (8) einen größeren Querschnitt als die zweite Fluidleitung (10) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Düsenaustritt als ein Vollstrahldüsenaustritt (4), ein Fasendüsenaustritt (44) oder/und ein Radiusdüsenaustritt (46) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Vorrichtung (1) als eine Reinigungsdüse ausgeführt und zur Abgabe einer Reinigungsflüssigkeit vorgesehen ist.
Düsenanordnung, die wenigstens zwei Düsen (1) umfasst, in die ein Fluid über einen zumindest strömungstechnisch mit einer Zuleitung verbundenen Fluidanschluss (3) oder über separate Fluidanschlüsse für die wenigstens zwei Düsen (1), mit jeweils einstellbarem Fluiddruck (p), eintritt, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Düsen (1) Vorrichtungen gemäß einem der Ansprüche 2 bis 11 sind und Ventile (20, 22, 24) mit jeweils separat einstellbaren Schaltpunktdrücken aufweisen, sodass die Ventile (20, 22, 24) in Abhängigkeit vom Fluiddruck (p) unterschiedlich geschaltet und der Austritt des Vollstrahls (32) und des kegelförmigen Sprays (30) in der Weise variiert werden kann, dass alle oder ein Teil der Düsen (1) den linearen Vollstrahl (32) oder das Spray (30) abgeben.
Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur einstellbaren Beeinflussung eines Fluids beim Übertritt in den freien Raum aus einem Düsenaustritt (4) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, umfassend eine erste und eine zweite Einstellungen, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Einstellung der lineare Vollstrahl (32) austritt, indem die erste Fluidströmung (12) das geöffnete Ventil (20, 22, 24) passiert und zusammen mit der zweiten Fluidströmung (14) in die Drallkammer (6) eintritt, wobei in der zweiten Einstellung das kegelförmige Spray (6) austritt, indem die erste Fluidströmung (12) durch das geschlossene Ventil (20, 22, 24) gehindert wird, in die Drallkammer (6) einzutreten und dort die Ausbildung des Dralls der zweiten Fluidströmung (14) zu beeinflussen.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Ventil (20, 22, 24) an einem Schaltpunktdruck seinen Schaltzustand ändert, indem es bei Erreichen eines Öffnungsdruckbereichs der ersten Fluidströmung (12) öffnet und bei Erreichen eines Schließdruckbereichs der ersten Fluidströmung (12) schließt.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Öffnungsdruckbereich der ersten Fluidströmung (12) über dem Schließdruckbereich liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei das kegelförmige Spray (30) von einem Pulsationseffekt überlagert wird, wenn bei geschlossenem Ventil (20, 22, 24) die zweite Fluidströmung (14) unter einem Pulsationsdruck steht.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Pulsationsdruck sich über wenigstens einen Pulsationsdruckbereich erstreckt und die Pulsation über den Pulsationsdruckbereich hinweg ihre Eigenschaften ändert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei die erste Fluidströmung (12) einen höheren Volumenstrom aufweist als die zweite Fluidströmung (14).