DE19654321A1 - Vorrichtung zur Aerosolerzeugung - Google Patents
Vorrichtung zur AerosolerzeugungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aerosoler
zeugung insbesondere in einer Kühlschmiervorrichtung für
Werkzeuge oder Werkstücke, mit einer Injektorvorrichtung,
der ein Trägergas und eine Flüssigkeit zuführbar sind und
die an einem Auslaß einen Gasstrahl mit darin enthaltenen
Flüssigkeitströpfchen abgibt.
Aerosole finden in vielen Bereichen der Technik Anwen
dung, wobei beispielsweise auf Inhalatoren in der Medi
zintechnik, Luftbefeuchter in der Haushaltstechnik, das
Aufbringen von Reinigungs- oder Schutzmitteln etc. hinge
wiesen sein soll. Darüber hinaus ist es auch bekannt,
Aerosole zum Kühlen oder Schmieren eines Werkzeugs oder
eines Werkstücks zu verwenden, wovon im folgenden bei
spielhaft ausgegangen wird.
Werkzeuge und Werkstücke unterliegen bei einer spanenden
Bearbeitung hohen Reibungskräften, was zu einer starken
Wärmeentwicklung führt. Es ist deshalb notwendig, die
Reibung der genannten Teile durch Aufbringen eines Kühl
schmiermittels herabzusetzen, wodurch gleichzeitig die
Teile gekühlt werden. Früher wurde in der Regel die seit
langem bekannte Vollstrahlkühlung angewendet, bei der das
Kühlschmiermittel in relativ großer Menge in einem Flüs
sigkeitsvollstrahl auf die zu kühlenden Flächen aufge
bracht wird. Dabei ergibt sich einerseits jedoch ein sehr
hoher Verbrauch an Kühlschmiermittel, wodurch der Betrieb
der Kühlschmiervorrichtung teuer ist, andererseits ist es
aus ökologischen Gründen notwendig, das benutzte Kühl
schmiermittel umweltverträglich zu entsorgen, was aufwen
dig und ebenfalls kostenintensiv ist.
Bei der in den letzten Jahren entwickelten sogenannten
Minimalschmiertechnik wird ein flüssiges Kühlschmier
mittel in einer Düse in einem Luftstrom vernebelt. Zu
diesem Zweck wird der Düse das flüssige Kühlschmiermittel
und die Luft in getrennten Leitungen zugeführt, wobei der
aus der Düse mit relativ hoher Geschwindigkeit austre
tende Luftstrom sich mit dem Kühlschmiermittel nach
Austritt aus der Düse vermischt. Es sind auch Systeme
bekannt, bei denen die Erzeugung des Gemischnebels inner
halb der Düse erfolgt. Der Sprühnebel des Kühlschmier
mittel-Luft-Gemisches wird direkt auf die zu behandelnden
Flächen aufgebracht, wodurch sich eine gute Kühl- und
Schmierwirkung an den Werkzeugen und Werkstücken erzielen
läßt. Des weiteren ergibt sich der Vorteil, daß der
Verbrauch an Kühlschmiermittel wesentlich verringert und
damit auch das Problem der Entsorgung gemindert ist.
Jedoch ist der in genannter Weise erzeugte Kühlschmier
mittel-Nebel relativ inhomogen hinsichtlich der Tröpf
chengröße. Dies ist zwar bei der sogenannten Außenküh
lung, bei der das Kühlschmiermittel von außen auf die zu
kühlenden Teile aufgebracht wird, relativ unproblema
tisch, jedoch treten Probleme bei der sogenannten Innen
kühlung auf, bei der der Kühlschmiermittel-Nebel durch im
Werkzeug verlaufende, innere Kanäle bis direkt in die
Kontaktfläche zwischen Werkzeug und Werkstück gefördert
wird. Größere Tröpfchen des Kühlschmiermittel-Nebels
werden infolge der Drehung des Werkzeugs ebenfalls in
Drehung versetzt und radial nach außen beschleunigt, so
daß sie sich an der Wandung der Kanäle niederschlagen.
Dies führt zu einer ungleichmäßigen Förderung des Kühl
schmiermittels und insbesondere zu Spritzerbildung.
Gleichartige Probleme treten auf, wenn der Kühlschmier
mittel-Nebel durch relativ lange Rohr- oder Schlauchlei
tungen gefördert werden soll.
Aus der DE 30 34 941 A1, von der im Oberbegriff des
Anspruchs 1 ausgegangen wird, ist es bekannt, zur Kühlung
und Schmierung von drehenden Teilen neben einer herkömm
lichen Ölschmierung zusätzlich ein Aerosol zu verwenden,
das sehr feine im Luftstrom schwebende Ölpartikel ent
hält. Zu diesem Zweck wird mittels eines durch eine
Injektordüse strömenden Luftstromes Öl aus einem Vorrat
angesaugt und zusammen mit der Luft in einer Aerosol-Kam
mer zerstäubt, wobei die schweren Ölpartikel, die sich am
Boden oder der Wand der Aerosol-Kammer absetzen, in den
Vorrat zurückfließen. Trotz der Abscheidung der schweren
Ölpartikel verbleiben jedoch im Aerosol noch Partikel
unterschiedlicher Größe, wobei sich darüber hinaus gemäß
der DE 30 34 941 A1 die Partikelzusammensetzung und
-größe nicht verändern läßt. Somit ist auch eine Anpas
sung des Kühlungs- bzw. Schmierungsverhaltens an die
jeweilige Anforderung, die je nach Werkstoff- und Bear
beitungsart verschieden sein können, nicht gegeben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich
tung zur Aerosolerzeugung zu schaffen, mit der ein Aero
sol mit kleiner Partikelgröße zuverlässig zu erhalten
ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung
zur Aerosolerzeugung dadurch gelöst, daß der Gasstrahl
auf einen Prallkörper mit strukturierter Oberfläche
gerichtet ist und an dieser entlangströmt.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Schmier
flüssigkeit in bekannter Weise mittels eines Unterdruckes
angesaugt und in einem Strahl eines Trägergases, vorzugs
weise Luft, zerstäubt. Das Trägergas wird unter Druck in
eine Kammer der Injektorvorrichtung eingeleitet, wobei
sich infolge der Querschnittsvergrößerung ein Unterdruck
einstellt, der die Schmierflüssigkeit aus ihrer ebenfalls
in die Kammer mündenden Leitung fördert und dem Träger
gasstrom hoher Geschwindigkeit zuführt. Die Schmierflüs
sigkeit wird mit dem Trägergasstrom mitgerissen und
schlägt sich feinverteilt auf der strukturierten Ober
fläche des Prallkörpers nieder. Da der Trägergasstrom mit
hoher Geschwindigkeit über die strukturierte Oberfläche
des Prallkörpers hinwegströmt, zerstäubt er dabei den
sich an der strukturierten Oberfläche bildenden Schmier
flüssigkeitsfilm in ein Aerosol geringer Partikelgröße.
Durch entsprechende Ausbildung der strukturierten Ober
fläche, die insbesondere eine Stufenstruktur besitzt,
kann eine sehr hohe Aerosolkonzentration bei geringem
Partikeldurchmesser erreicht werden.
Die Größe der Partikel sowie die Aerosolmenge kann bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Aerosolerzeugung
vorzugsweise dadurch geändert werden, daß sowohl die
Zufuhr der Schmierflüssigkeit als auch die Zufuhr des
Trägergases über Ventile getrennt gesteuert werden kann.
Darüber hinaus läßt sich auf diese Weise die Fettigkeit
des Aerosols stufenlos variieren.
Der Prallkörper ist vor dem Auslaß der Injektorvorrich
tung angeordnet und vorzugsweise als rotationssymme
trischer Körper mit strukturierter Mantelfläche ausge
staltet. Insbesondere hat es sich bewährt, wenn der
Prallkörper eine sich verjüngende Form besitzt, wobei er
an seinem dem Gasstrahl zugewandten Ende vorzugsweise
konisch zuläuft. Als Prallkörper kann somit ein Kegel
oder auch Kegelstumpf Verwendung finden.
Die Spitze des Kegels bzw. das schmale Ende des Kegel
stumpfes ist vorzugsweise direkt am Auslaß der Injek
torvorrichtung angeordnet, so daß der Gasstrahl an dieser
Stelle auf den Kegel bzw. Kegelstumpf auftritt.
In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß
der Auslaß der Injektorvorrichtung in Strömungsrichtung
des Gasstrahls konisch aufgeweitet ist. Somit kann der
kegel- oder kegelstumpfförmige Prallkörper teilweise in
den Auslaß hineinragen, so daß zwischen der Innenwandung
des Auslasses und der Außenwandung des Prallkörpers ein
Strömungskanal gebildet ist.
Insbesondere ist vorgesehen, daß der Abstand zwischen dem
Prallkörper und dem Auslaß der Injektorvorrichtung für
den Gasstrahl veränderbar ist. Dabei läßt sich auch die
Abmessung des vorgenannten Strömungskanals verändern. Es
hat sich gezeigt, daß durch Variation des Abstandes die
Partikelgröße variiert werden kann, da sich auf diese
Weise auch die Geschwindigkeit des Gasstrahls verändert.
Je höher die Geschwindigkeit des Gasstrahles eingestellt
wird, desto feiner wird die Partikelgröße des erzeugten
Aerosols.
Es hat sich gezeigt, daß die Konzentration des Aerosols
in dem Gasstrahl von der Form der strukturierten Ober
fläche, beispielsweise der Stufenstruktur, des Prallkör
pers abhängig ist. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn
die Stufen jeweils eine spitzwinkelige Abrißkante aufwei
sen, wodurch die Schmierflüssigkeitströpfchen in sehr
kleiner Größe von der Gasströmung mitgerissen werden.
Dabei können in Weiterbildung der Erfindung die Stufen
unterhalb ihrer Abrißkante einer Hinterschneidung besit
zen, um eine besonders scharfe Abrißkante zu erhalten.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorge
sehen, daß die Stufen an ihrer Abrißkante einen spitz
zulaufenden Vorsprung aufweisen, der vorzugsweise dem
anströmenden Gasstrahl entgegengerichtet ist.
Zur Erlangung eines Aerosols mit annähernd gleichmäßiger
Partikelgröße wird der das Aerosol enthaltende Gasstrom
nach Überströmen des Prallkörpers vorzugsweise ein- oder
mehrmals gefiltert. Als Filter kann dabei auch eine
scharfe Umlenkung des Gasstrom angesehen werden, infolge
der die schweren und somit größeren Partikel abgeschieden
werden können. Neben dieser Massen- bzw. Schwerkraftab
scheidung kann in Weiterbildung der Erfindung auch vor
gesehen sein, daß der die strukturierte Oberfläche ent
langströmende Gasstrom von einem Mantelgasstrahl insbe
sondere aus Luft umhüllt ist. Der Mantelgasstrahl, der
mit einer an sich bekannten Ringdüse erzeugt werden kann,
beschleunigt das Aerosol und unterstützt somit die Ab
scheidung größerer Partikel, während die feinsten Parti
kel den Mantelgasstrahl durchdringen können.
Als Filtervorrichtung kann alternativ auch ein Siebfilter
und/oder ein Zyklon vorgesehen sein. Letzterer kann
zusätzlich auch als Zwischenspeicher für das Aerosol
ausgebildet sein, um Entnahmeschwankungen ausgleichen zu
können.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfordert die
Erzeugung des Aerosols keine beweglichen Teile, so daß
eine hohe Prozeßsicherheit gewährleistet ist. Die Menge
des erzeugten Aerosols hängt von der Entnahmemenge der
Verbraucher ab. Wird viel Aerosol entnommen, so strömt
die entsprechende Menge an Luft in die Aerosolkammer
nach, wobei der Innendruck in der Kammer konstant bleibt
und dem an einem Druckminderventil eingestellten Be
triebsdruck entspricht, das der Kammer vorgeschaltet ist.
Die erzeugbare Aerosolmenge ist daher von der Luftmenge
abhängig, die dem System zugeführt wird.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sind aus
der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die Zeichnung ersichtlich. Es zei
gen:
Fig. 1 eine teilweise geschnitten dargestellte
perspektivische Ansicht eines Behälters
einer Kühlschmiervorrichtung mit mehreren
zugeordneten Werkzeugen,
Fig. 2 einen Querschnitt einer Vorrichtung zur
Aerosolerzeugung,
Fig. 3 das Detail III in Fig. 2,
Fig. 4 eine 1. alternative Ausgestaltung der
Stufen gemäß Fig. 3 und
Fig. 5 eine 2. alternative Ausgestaltung der
Stufen gemäß Fig. 3.
Gemäß Fig. 1 weist eine Kühlschmiervorrichtung 30 einen
Behälter 31 auf, der in seinem unteren Bereich einen
Vorrat 32 an flüssigem Kühlschmiermittel, beispielsweise
Öl, enthält. Der Behälter 31 ist durch einen Deckel 33
verschlossen und als Druckbehälter ausgebildet. In dem
oberhalb des Ölvorrats 32 gebildeten Raum des Behälters
31 befindet sich ein Aerosol, das dadurch gebildet wird,
daß ein Druckluftstrom über eine Leitung 35, in der ein
Steuerventil 18 angeordnet ist, und eine weiterführende
Leitung 17 einer Injektorvorrichtung 16 zugeführt wird.
Aufgrund des durch die Injektorvorrichtung 16 strömenden
Luftstroms entsteht ein Unterdruck, mittels dessen Öl
über eine Saugleitung 34, eine Einstellvorrichtung 37,
die ein Steuerventil 37b und eine Abschaltvorrichtung 37a
zur Schnellabschaltung umfaßt, und eine weiterführende
Leitung 36 aus dem Vorrat 32 in die Injektorvorrichtung
16 eingesaugt wird. Mit Hilfe der Einstellvorrichtung 37
läßt sich der Volumenstrom des Öls in der Saugleitung 34
stufenlos steuern.
In dem Deckel 33 des Behälters 31 ist eine Anschlußlei
tung 38 vorgesehen, über die dem Behälter 31 Aerosol
entnommen werden kann, um es beispielsweise zur Innen
kühlung zu verwenden. Die Förderung des Aerosols durch
die Anschlußleitung 38 kann durch den Innendruck im
Behälter 31 erfolgen. Gemäß Fig. 1 ist zusätzlich eine
Saugdüse 39 vorgesehen, die über eine nicht dargestellte
Leitung mit Druckluft versorgt wird. Die Luft wird in
Förderrichtung in die Saugdüse 39 eingeleitet, so daß die
Luftströmung das Aerosol ansaugt, wobei die Ölpartikel
nochmals verwirbelt und beschleunigt werden.
Die Aerosolströmung A kann - wie in Fig. 1 angedeutet
ist - auf mehrere Zweigleitungen 27 verteilt und in
diesen unterschiedlichen Werkzeugmaschinen 28 mit ent
sprechenden Werkzeugen 29 zugeführt werden. Obwohl in
Fig. 1 beispielhaft eine Innenkühlung dargestellt ist,
bei der das Aerosol durch im Werkzeug 29 verlaufende
Kanäle hindurch gefördert wird und an der Werkzeugspitze
austritt, kann alternativ oder zusätzlich dazu auch die
an sich bekannte Außenkühlung Verwendung finden.
Die Vorrichtung 10 zur Aerosolerzeugung ist in Fig. 2 im
Detail dargestellt. Sie umfaßt die Injektorvorrichtung 16
mit einem Injektorblock 11, in dessen Innerem eine Injek
torkammer 22 ausgebildet ist. Der Injektorkammer 22 ist
Druckluft G über die Leitung 35, das Steuerventil 18
sowie die weiterführende Leitung 17 zuführbar. Bei Ein
tritt in die Injektorkammer 22 entsteht infolge der
Querschnittsvergrößerung ein Unterdruck, infolge dessen
Öl F über die Saugleitung 34, die Einstellvorrichtung 37
und die weiterführende Leitung 36 in die Injektorkammer
22 gesaugt wird.
An ihrem Auslaß 23, an dem die Druckluft als Gasstrahl 25
mit darin enthaltenen Flüssigkeitströpfchen austritt, ist
die Injektorkammer 22 konisch erweitert.
Unterhalb des Auslasses 23 ist ein kegelförmiger Prall
körper 13 angeordnet, dessen Mantelfläche 13a eine Trep
penstruktur mit einer Vielzahl aufeinanderfolgender
Stufen 13c aufweist. Der Kegel ist so ausgerichtet, daß
seine Spitze 13b zum Auslaß 23 der Injektorvorrichtung 16
weist und teilweise in den konisch erweiterten Auslaß
23 hineinragt.
Der kegelförmige Prallkörper 13 ist über Haltestangen 12
am Deckel 33 des Behälters 31 gehalten. Der Injektorblock
11 besitzt in seinem oberen Abschnitt eine den Deckel 33
des Behälters 31 durchdringende Einstellvorrichtung 15,
mittels der der Injektorblock 11 (wie durch den Doppel
pfeil V angedeutet) in seinem Abstand zu dem Prallkörper
13 verändert werden kann. Während der Verstellbewegung
ist der Injektorblock 11 an mehreren, am Prallkörper 13
angeordneten Führungsstiften 14 geführt, die in ent
sprechende Ausnehmungen 24 des Injektorblockes 11 ver
schieblich eingreifen.
Über den Umfang des Injektorblockes 11 ist eine Ringdüse
21 angeordnet, die einen nach unten gerichteten Mantel
luftstrahl 26 abgibt, der den Gasstrahl 25 umhüllt.
Der in der Injektorkammer 22 gebildete Gasstrahl 25 mit
darin enthaltenen Flüssigkeitströpfchen trifft auf die
abgestufte Oberfläche 13a des Prallkörpers 13 auf, wo
raufhin sich die Flüssigkeitströpfchen zunächst auf den
Stufenoberflächen absetzen. Die nachströmende Luft des
Gasstrahls 25 reißt dann an den in Fig. 3 dargestellten
Abrißkanten 13d der Stufen 13c feinste Tröpfchen des Öls
mit, so daß sich insgesamt ein Aerosol mit sehr feinen
Ölpartikeln ergibt.
Am unteren Ende des Prallkörpers 13 wird der Aerosolstrom
seitlich nach außen gelenkt und erfährt dadurch eine
starke Umlenkung, der die schweren Partikel nicht folgen
können, die weiter nach unten in den Ölvorrat 32 fallen.
Dies wird auch durch den äußeren Mantelluftstrahl 26
begünstigt, der die größeren Partikel mitreißt und in den
Ölvorrat 32 Zurückführt. Die feinen Partikel können den
Mantelluftstrahl 26 durchdringen und sammeln sich in dem
Raum oberhalb des Ölvorrats 32 an.
Zur Veränderung der Größe der Ölpartikel kann der Injek
torblock 11 relativ zum Prallkörper 13 verschoben werden.
Wenn der zwischen der Spitze 13b des Prallkörpers 13 und
dem konischen Auslaß 23 gebildete Strömungskanal durch
eine aufeinander zu gerichtete Bewegung des Injektor
blocks 11 und des Prallkörpers 13 in seinem Querschnitt
verkleinert wird, wird die Strömungsgeschwindigkeit des
Gasstrahles 25 erhöht, wodurch sich ein Aerosol mit
kleineren Partikeln ergibt.
Claims (14)
1. Vorrichtung zur Aerosolerzeugung insbesondere in
einer Kühlschmiervorrichtung für Werkzeuge oder
Werkstücke, mit einer Injektorvorrichtung, der ein
Trägergas und eine Flüssigkeit zuführbar sind und
die an einem Auslaß einen Gasstrahl mit darin ent
haltenen Flüssigkeitströpfchen abgibt, dadurch
gekennzeichnet, daß der Gasstrahl (25) auf einen
Prallkörper (13) mit strukturierter Oberfläche (13a)
gerichtet ist und an dieser entlangströmt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Prallkörper (13) eine Stufenstruktur (13c)
aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Prallkörper (13) ein rotations
symmetrischer Körper mit strukturierter Mantelfläche
ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, daß der Prallkörper (13) eine
sich in der dem Gasstrahl (25) zugewandten Richtung
verjüngende Form besitzt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Prallkörper (13) ein Kegel oder Kegelstumpf
ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der Gasstrahl (25) an der Spitze des Kegels oder
am schmalen Ende des Kegelstumpfes auftrifft.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da
durch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem
Prallkörper (13) und dem Auslaß (23) der Injektor
vorrichtung (16) veränderbar ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da
durch gekennzeichnet, daß der Auslaß (23) in Strö
mungsrichtung des Gasstrahls (25) konisch aufgewei
tet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da
durch gekennzeichnet, daß die Stufen (13c) jeweils
eine spitzwinkelige Abrißkante (13d) aufweisen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stufen (13c) unterhalb ihrer Abrißkante
(13d) eine Hinterschneidung (13e) besitzen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Stufen (13c) an ihrer Abrißkante
(13d) einen spitz zulaufenden Vorsprung (13f) auf
weisen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich
net, daß der Vorsprung (13f) dem anströmenden Gas
strahl (13) entgegengerichtet ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß der die strukturierte
Oberfläche (13a) entlangströmende Gasstrahl (25) von
einem Mantelgasstrahl (26) umhüllt ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrahl (25) nach
Überströmen des Prallkörpers (13) scharf umgelenkt
wird.
Priority Applications (15)
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