DE602004010697T2

DE602004010697T2 - Fluidoszillator mit drei krafteinlassdüsen und einem wirbel erzeugenden hindernis

Info

Publication number: DE602004010697T2
Application number: DE602004010697T
Authority: DE
Inventors: Shridhar Westminster GOPALAN
Original assignee: Bowles Fluidics Corp
Current assignee: Bowles Fluidics Corp
Priority date: 2003-10-21
Filing date: 2004-10-19
Publication date: 2008-12-04
Anticipated expiration: 2024-10-20
Also published as: EP1675686B1; DE602004010697D1; ATE380596T1; EP1675686A1; WO2005042169A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen zur Behandlung von Fluiden. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Fluidikoszillator, mit dem das Versprühen von hochviskosen Fluiden gesteuert werden kann, derart, dass solche Sprühstrahlen über ihre Zielgebiete gleichmässig verteilt werden.
2. BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Fluidikoszillatoren sind im Stand der Technik bezüglich ihrer Fähigkeit, eine grosse Anzahl von Sprühmustern von Flüssigkeiten durch die zyklische Ablenkung eines Flüssigkeitsstrahls zu erzeugen, gut bekannt. Der Betrieb der meisten Fluidikoszillatoren ist durch die zyklische Ablenkung eines Fluidstrahls ohne die Verwendung mechanisch beweglicher Teile charakterisiert. Aus diesem Grunde ist es ein Vorteil von Fluidikoszillatoren, dass sie keiner Abnutzung und keinen Zugkräften unterliegen, welche die Zuverlässigkeit und den Betrieb anderer Sprühvorrichtungen negativ beeinflussen.
Beispiele von Fluidikoszillatoren können in vielen Patentschriften gefunden werden, beispielsweise in den US-Patentschriften Nr. 3'185'166 (Horton & Bowles), 3'563'462 (Bauer), 4'052'002 (Stouffer & Bray), 4'151'955 (Stouffer), 4'157'161 (Bauer), 4'231'519 (Stouffer), welche als RE 33'158 neu ausgegeben wurde, 4'508'267 (Stouffer), 5'035'361 (Stouffer), 5'213'269 (Srinath), 5'971'301 (Stouffer), 6'186'409 (Srinath), welche die Merkmale oder Verfahrensschritte offenbart, die die Oberbegriffe der Patentansprüche 1 bzw. 10 bilden, und 6'253'782 (Raghu).
Die Art der typischen Schwingungen in der Strömung einer Flüssigkeit, die aus derartigen Vorrichtungen in eine gasförmige Umgebung austritt, ist in den 1A bis 1C dargestellt. Die wechselseitige Bildung von Wirbeln in den oberen und unteren Bereichen am Ende der Wechselwirkungskammer des Oszillators, in Strömungsrichtung gesehen, bewirkt, dass die Strömung im Ausgang abwechselnd nach oben und nach unten umgeleitet wird, so dass die aus dem Oszillator austretende Flüssigkeit über einen Fächer mit einem Winkel von etwa 20 ausgesprüht wird.
Diese Art eines schwingenden Flüssigkeitsstrahls kann eine ganze Reihe von Mustern der Verteilung der Tropfen der abströmenden Flüssigkeit ergeben, die gebildet werden, da diese Flüssigkeitsstrahlen in der umgebenden gasförmigen Atmosphäre aufgebrochen werden. Ein solches mögliches Verteilungsmuster ist in 1C dargestellt.
Zum Versprühen hochviskoser Flüssigkeiten hat sich der "Pilzoszillator", der in der US-Patentschrift Nr. 6'253782 beschrieben und in 2 dargestellt ist, als besonders wirksam erwiesen. Die Strömung aus einem derartigen Fluidikoszillator ist jedoch dadurch gekennzeichnet, dass der überstreichende Sprühstrahl, der aus dem Oszillator austritt, an den beiden Endstellungen des Sprühwinkels stillsteht, so dass die Verteilung der austretenden Tropfen, welche auf eine Ebene auftreffen, die auf der Sprührichtung senkrecht steht, an den beiden Enden durch ein grösseres Volumen an Flüssigkeit charakterisiert ist, die sich dort an diesen beiden Enden ansammelt. Dies geht aus 3 hervor. Beträchtliche Schwierigkeiten wurden beim Versuch angetroffen, diese Art von Fluidikoszillatoren so zu betreiben, dass eine bessere Gleichmässigkeit der räumlichen Verteilung der Tröpfchen erzielt wird.
Trotz des ausgedehnten Standes der Technik bezüglich Fluidikoszillatoren besteht immer noch ein Bedarf nach weiteren technologischen Verbesserungen auf diesem Gebiet. Beispielsweise werden immer Situationen angetroffen, bei denen die bekannten Fluidikoszillatoren nicht in der Lage sind, das gewünschte Sprühmuster unter sämtlichen Betriebsbedingungen zu liefern (beispielsweise gleichmässige räumliche Verteilung von Tröpfchen aus hochviskosen Sprühstrahlen). Es ist bekannt, dass derartige Situationen in den verschiedensten Anwendungen in Fahrzeugen auftreten, insbesondere bei extrem niedrigen Temperaturen.
3. ZIELE UND VORTEILE
Der Stand der Technik, der sich auf die vorliegende Erfindung bezieht, ist in den oben stehenden Ausführungen summarisch behandelt worden, damit das Umfeld der vorliegenden Erfindung besser verständlich wird und gewürdigt werden kann. In dieser Beziehung ist es ebenfalls wichtig, die Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung in Betracht zu ziehen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, neue, verbesserte Fluidikoszillatoren und Verfahren zur Strömungsbehandlung anzugeben, mit denen schwingende Fluidstrahlen mit räumlich gleichförmigen Tröpfchenverteilungen über einen weiten Bereich von Betriebstemperaturen erzeugt werden können.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, verbesserte Fluidikoszillatoren und Fluidströmungsverfahren anzugeben, mit denen schwingende Fluidstrahlen mit hochviskosen Flüssigkeiten erzeugt werden können.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, verbesserte Fluidikoszillatoren und Fluidströmungsverfahren zur Verfügung zu stellen, welche Fluidstrahlen und Sprühstrahlen von Tröpfchen erzeugen, deren Eigenschaften die Reinigungsanwendungen von Oberflächen wirksamer machen.
Diese und andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Einzelbeschreibung hervor, in der die Erfindung besser verständlich dargestellt und unter Bezugnahme auf die beigegebenen schematischen Zeichnungen näher erläutert wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufbauend auf der Erkenntnis, dass es erforderlich ist, verbesserte Fluidikoszillatoren zu entwickeln, die in der Lage sind, hochviskose Flüssigkeiten zu versprühen, deren Tropfen gleichmässiger über die Zielflächen verteilt werden, richtet sich die vorliegende Erfindung im allgemeinen darauf, die oben beschriebenen Bedürfnisse zu befriedigen und die Nachteile der Vorrichtungen und Verfahren des Standes der Technik zu beseitigen.
Gemäss der vorliegenden Erfindung können die vorstehend erwähnten Bedürfnisse dadurch befriedigt werden, dass Fluidikoszillatoren zur Verfügung gestellt werden, die im Patentanspruch 1 definiert sind, sowie Verfahren, welche den Gegenstand des Patentanspruches 10 bilden.
Gemäss einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist dieser Oszillator derart strukturiert, dass (a) jeweils eine der Leistungsdüsen in der Nähe eines der beiden begrenzenden Ränder der Kammer angeordnet ist, (b) die Düsen so konfiguriert sind, dass sie die Strömung des unter Druck stehenden Fluids beschleunigen, welches durch die genannten Düsen strömt, (c) dass die Einschnürung im Oszillator eine rechte und eine linke Seitenwandung aufweist, die stromabwärts auseinanderlaufen, und (d) dass die Leistungsdüsen und die Insel derart orientiert und dimensioniert sind, dass hinter der Insel Strömungswirbel erzeugt werden, die aus der Einschnürung derart ausgestossen werden, dass sich diese Strömungswirbel abwechselnd an der rechten Seitenwandung und dann an der linken Seitenwandung der Einschnürung befinden.
Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform besitzt die Wechselwirkungskammer eine Bodenfläche, welche in Richtung vom stromaufwärts gelegenen Bereich zum stromabwärts gelegenen Bereich der Kammer nach unten geneigt ist, wobei die bevorzugte Grösse dieser Neigung im Bereich zwischen 10° und 20° liegt.
Bei einer dritten bevorzugten Ausführungsform weist der Fluidikoszillator eine Stufe in Höhe des Bodens der Leistungsdüsen gegenüber der Bodenfläche der Wechselwirkungskammer auf, wobei ein bevorzugter Bereich für das Verhältnis der Höhe dieser Stufe zur Höhe der Leistungsdüsen im Bereich von 0,10 bis 0,20 liegt.
Im Obenstehenden wurde die vorliegende Erfindung zunächst nur zusammenfassend dargestellt, damit die nun folgende Einzelbeschreibung besser verständlich wird und gewürdigt werden kann. Die Erfindung weist selbstverständlich zusätzliche Merkmale auf, die nachstehend beschrieben werden und die zum Gegenstand der Patentansprüche dieser Erfindung gemacht werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A bis 1C veranschaulichen die Art der typischen Schwingungen in der Strömung einer Flüssigkeit, die aus einem Fluidikoszillator in eine gasförmige Umgebung eintritt, und wie sich die Tröpfchen der Strömung, die einen solchen Oszillator verlässt, über den Fächerwinkel von 20 verteilen.
2 zeigt einen "Pilz-Oszillator" gemäss der Offenbarung der US-Patentschrift Nr. 6'253'782 mit einem Wechselwirkungsbereich, in den der Strahl von zwei Leistungsdüsen eintritt, und diese Strahlen treten in Wechselwirkung und bilden aufeinander einwirkende Wirbel, wodurch eine schwingende Strömung an der Einschnürung des Oszillators zustande kommt.
3 zeigt den Sprühstrahl von einem Pilz-Oszillator gemäss 2 und ausserdem die Verteilung der auftreffenden Flüssigkeit an den beiden Enden des Fächers als Flüssigkeitstropfen in einer Ebene senkrecht zum Weg des Sprühstrahls, und eine solche Verteilung ist dadurch gekennzeichnet, dass grössere Volumina der Flüssigkeit an den beiden Enden der Verteilung auftreffen.
4 zeigt ein Beispiel einer typischen Fluidsprühvorrichtung, welche in der Motorhaube eines Kraftfahrzeuges angebracht wird, um die Windschutzscheibe zu besprühen.
5A veranschaulicht eine bevorzugte Ausführungsform des neuen Fluidströmungsweges ("Insel-Dreistrahl") der vorliegenden Erfindung und die Strömungsvorgänge in diesem Oszillator und an seinem Ausgang in einem Augenblick, in dem die an den Hinterkanten der Insel gebildeten Wirbel äquivalente Grössen aufweisen.
5B zeigt nähere Einzelheiten der Geometrie der Wechselwirkungskammer, der Leistungsdüsen und der Einschnürung, die bereits in 5A gezeigt wurden.
6 gibt eine bevorzugte Ausführungsform des neuen Fluidströmungsweges ("Insel-Dreistrahl") der vorliegenden Erfindung und die Strömungsvorgänge in diesem Oszillator und an seinem Ausgang in einem Augenblick an, in dem der Wirbel hinter der rechten Hinterkante der Insel vorherrscht.
7 gibt eine bevorzugte Ausführungsform des neuen Fluidströmungsweges ("Insel-Dreistrahl") der vorliegenden Erfindung und die Strömungsvorgänge in diesem Oszillator und an seinem Ausgang in einem Augenblick an, in dem der Wirbel hinter der linken Hinterkante der Insel vorherrscht.
8 veranschaulicht die räumliche Verteilung der Flüssigkeitströpfchen, die auf einer Platte auftreffen, welche senkrecht zur Sprührichtung des Sprühstrahls ausgerichtet ist, und zwar für die in den 5 bis 7 gezeigten Fluidikvorrichtungen. Eine solche Verteilung ist durch eine gleichmässige Verteilung über die Höhe des Sprühstrahls charakterisiert.
9 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform der neuen Fluidikvorrichtung "Insel-Dreistrahl" der vorliegenden Erfindung, wobei diese Ausführungsform eine kompaktere Geometrie als diejenige der Oszillatoren gemäss 5 bis 7 aufweist.
10 zeigt eine noch andere bevorzugte Ausführungsform der neuen Fluidikvorrichtung "Insel-Dreistrahl" der vorliegenden Erfindung, wobei bei dieser Ausführungsform zwei Reihen von versetzten Filterstäben vorgesehen sind.
11 veranschaulicht einen ebenen, zweidimensionalen fächerartigen Sprühnebel, welcher für die neuen Fluidikvorrichtungen "Insel-Dreistrahl" der vorliegenden Erfindung charakteristisch ist.
12A und 12B zeigen eine Draufsicht und einen zentralen Längsschnitt des Austrittsendes eines Insel-Dreistrahl-Oszillators, dessen Wechselwirkungskammer einen sich nach unten neigenden, sich verjüngenden Boden aufweist.
13 ist eine von oben gesehene perspektivische Darstellung des Austrittsendes eines Insel-Dreistrahl-Oszillators, welcher eine nach unten gerichtete Stufe an jenem Punkt aufweist, an dem die Leistungsdüsen ihren Strahl in die Wechselwirkungskammer abgeben.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Bevor mindestens eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in allen Einzelheiten erläutert wird, soll betont werden, dass die Erfindung in ihrer Anwendung, ihren Konstruktionseinzelheiten und der Anordnung der Einzelteile, wie sie aus der folgenden Beschreibung hervorgehen oder in den Zeichnungen dargestellt sind, nicht eingeschränkt ist. Die Erfindung kann mit anderen Ausführungsformen ver wirklicht werden und kann auf verschiedene Art und Weise ausgeführt und verwendet werden.
Auch soll darauf hingewiesen werden, dass die Ausdrucksweise und die Terminologie, die in diesem Dokument verwendet werden, lediglich zum Zwecke der Beschreibung gewählt werden und nicht als einschränkend zu betrachten sind. Beispielsweise bezieht sich die unten stehende Besprechung dieses Dokumentes im allgemeinen auf die Techniken zum Versprühen von Flüssigkeiten; es sollte jedoch klar sein, dass das zugrundeliegende Erfindungskonzept auch auf die Abgabe anderer Fluide angewendet werden kann, einschliesslich Gasen, fliessfähigen Feststoffteilchen usw.
Die vorliegende Erfindung umfasst Verfahren zur Herstellung von Fluidikoszillatoren derjenigen Art, wie sie zur Erzeugung schwingender Fluidstrahlen geeignet sind, welche sehr bestimmte und regelbare Strömungsmuster in einem weiten Bereich von Betriebsbedingungen erzeugen können, beispielsweise die Bedingungen, die bei verschiedenen Reinigungsvorrichtungen für Windschutzscheiben von Automobilen, von Scheinwerfern und Heckscheiben angetroffen werden. 4 zeigt ein Beispiel einer typischen Flüssigkeitssprühvorrichtung, welche auf der Motorhaube eines Kraftfahrzeuges angebracht wird, um einen Sprühstrahl gegen die Windschutzscheibe zu richten. Diese Sprühvorrichtung für Flüssigkeit besteht aus (a) einem für Kraftfahrzeuge geeigneten Gehäuse 10, (b) einem Rückschlagventil 12 mit einem Kolben 12a und einer Feder 12b, wobei das Abström-Ende des Rückschlagventils mit dem Einlass des Durchflussrohres 14 im Gehäuse verbunden ist, und wobei das Zuström-Ende an einen Krümmer 16 angeschlossen wird, welcher Flüssigkeit in das Rückschlagventil leitet, und (c) einem Einsatz 18 für Fluidströmung, auch Fluidikeinsatz genannt, welcher in einen Hohlraum 20 eingesetzt wird, der im Gehäuse speziell für diesen Einsatz ausgestaltet wurde, so dass der Einsatz genau hineinpasst und eine flüssigkeitsdichte Verbindung zwischen den Dichtungsflächen 22 des Hohlraums und den Aussenflächen des Einsatzes herstellt.
Es bestehen. viele verschiedene und auch bekannte Ausgestaltungen von Fluidikströmungsleitern oder Fluidikoszillatoren 2, welche zur Verwendung mit diesen Fluidikeinsätzen geeignet sind. Viele dieser Einsätze weisen mehrere gemeinsame Merkmale auf, und zwar insbesondere folgende: mindestens eine Leistungsdüse 24, die so ausgestaltet ist, dass sie die Strömungsbewegung des Fluids, welches unter Druck durch den Einsatz fliesst, beschleunigt; eine Wechselwirkungskammer 26, die vom Fluid durchströmt wird und in welcher die Erscheinungen in der Fluidikströmung eingeleitet werden, die schliesslich dazu führen, dass die Ausgangsströmung des Einsatzes eine Schwingbewegung ausführt; einen Einlass für Fluid 28; einen Auslass für Fluid 30, durch den das Fluid den Einsatz verlässt; und Filterstäbe 32, die sich stromaufwärts zu den Leistungsdüsen befinden und alle störenden Teilchen, die sich in dem Fluid befinden, das durch den Einsatz hindurchströmt, ausfiltert, bevor diese Teilchen die stromabwärts angeordneten Leistungsdüsen oder die Auslassöffnung des Strömungsleiters verstopfen.
Wie schon vorstehend erwähnt wurde, ist es erwünscht, über einen Fluidikoszillator verfügen zu können, der auch mit hochviskosen Flüssigkeiten arbeitet und der eine räumlich gleichmässigere Verteilung der Tropfen seiner Sprühstrahlen ergibt als solche Oszillatoren, die als "Pilzoszillatoren" bezeichnet werden, siehe 2, d. h. solche Oszillatoren, die bisher mit hochviskosen Flüssigkeiten verwendet wurden. Um diesen Bedarf zu decken, wurden die in den 5 bis 7 gezeigten Fluidikstromleit systeme erfunden, die hier als Insel-Dreistrahl-Oszillatoren" bezeichnet werden.
Das neue Strömungsleitsystem setzt sich aus drei Leistungsdüsen 24, einer Wechselwirkungskammer 26 und einer Insel 34 zusammen, welche im Wechselwirkungsgebiet 26 angeordnet ist und stromabwärts des Zentrums der drei Leistungsdüsen 24 liegt.
Die Wechselwirkungskammer 26 weist einen stromaufwärts gelegenen Bereich 26A und einen stromabwärts gelegenen Bereich 26b auf, wobei dem stromaufwärts gelegenen Bereich zwei Begrenzungsränder 26c, 26d und eine längs ausgerichtete Mittelpunktslinie 26e zugeordnet sind, die von diesen beiden Rändern einen gleichen Abstand hat, wie aus 5B hervorgeht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich jeweils eine Leistungsdüse an den beiden erwähnten Rändern 26c, 26d im stromaufwärts gelegenen Teil der Wechselwirkungskammer, und die dritte Leistungsdüse steht ungefähr auf der Mittellinie 26e im stromaufwärts gelegenen Bereich der Wechselwirkungskammer.
Ausserdem besitzt der Ausgang der Kammer, nämlich die Einschnürung 30, durch die ein Sprühstrahl aus dem stromabwärts gelegenen Teil 26b der Kammer austritt, eine rechte Seitenwandung 30a und eine linke Seitenwandung 30b, die sich in Strömungsrichtung voneinander entfernen. Die Insel 34 befindet sich unmittelbar stromabwärts der Leistungsdüse, die sich auf der Mittellinie 26e der Wechselwirkungskammer befindet.
Wenn man diese Einzelteile richtig ausrichtet und dimensioniert, kann erreicht werden, dass Strömungswirbel hinter der Insel erzeugt werden, die durch die Einschnürung ausgestossen werden, derart, dass sich die Wirbel abwechselnd in der Nähe der rechten Seitenwandung und dann in der Nähe der linken Seitenwandung der Einschnürung bilden.
Für diese Insel 34 ist zunächst als erste bevorzugte Ausführungsform eine dreieckige Form gewählt worden, obwohl auch andere Formen (beispielsweise die Kreisform) möglich sind, und es wird auf 5B verwiesen. Diese dreieckige Insel ist so orientiert, dass eine Ecke des Dreiecks 34a, 34b oder 34c der von der mittleren Leistungsdüse kommenden Strömung gegenüber liegt.
Die Strömungsmuster, die in diesem Oszillator auftreten, sind an aufeinanderfolgenden Zeitpunkten durch Stromlinien dargestellt, die in 5 bis 7 übereinander liegen. Aus diesen Zeichnungen geht hervor, dass Wirbel von den stromabwärts liegenden Rändern der dreieckigen Insel 34 abgestossen werden. Wenn diese Wirbel zu einem bestimmten Zeitpunkt etwa die gleiche Grösse haben, blockieren sie gleichermassen die Strömung, die von den äusseren Leistungsdüsen kommt, so dass ein grösserer Anteil von Flüssigkeit durch die mittlere Leistungsdüse dann um die Insel herum strömt und den Oszillator in Richtung der Mittellinie am Ausgang des Oszillators, d. h. an der Einschnürung 30, verlässt, wie in 5A dargestellt ist.
Da dieses Strömungsmuster instabil ist, bleiben die Wirbel hinter der Insel nicht lange symmetrisch. Demgemäss entwickelt sich schnell ein alternierendes Strömungsmuster ähnlich demjenigen, das entweder in 6 oder in 7 gezeigt ist,.
In 6 ist die Situation gezeigt, bei der sich der Wirbel hinter der rechten unteren Kante der Insel 34 stärker entwickelt hat und grösser ist als derjenige hinter der linken ablaufenden Kante. Daraus ergibt sich, dass die Strömung durch die rechte Leistungsdüse stärker blockiert wird als die Strömung durch die linke und auch durch die mittlere Leistungsdüse. Wenn der grösste Teil der Strömung durch den Wechselwirkungsbereich 26 von der linken Seite kommt, wird die Strömung aus dem Ausgang 30 des Oszillators nach der rechten Seite der Mittellinie abgelenkt.
Wenn sich der Wirbel unter der rechten ablaufenden Kante der Insel vergrössert, wird er schliesslich stromabwärts weggetragen, und der gesamte Wirbel oder ein Teil davon strömt durch den Ausgang des Oszillators. Kurz nach diesem Vorgang haben die Wirbel hinter den ablaufenden Kanten der Insel ungefähr die gleiche Grösse, wobei jedoch der Wirbel hinter der linken Seite der Insel schneller wächst als derjenige hinter der rechten Inselseite. Wenig später ähnelt die Strömung durch den Oszillator mehr oder weniger derjenigen, die in 7 dargestellt ist.
Zu diesem Zeitpunkt dominiert der linke Wirbel und blockiert die Strömung durch die linke Leistungsdüse. Demgemäss überwiegt die Strömung durch die rechte Seite des Oszillators 18 und lenkt die Ausgangsströmung aus dem Oszillator so ab, dass die Strömungsrichtung am Ausgang 30 des Oszillators gegenüber der Mittellinie nach links gerichtet ist. Die Kombination der Strömungsvorgänge, die aus den 5 bis 7 hervorgeht, resultiert in einer Ablenkung des Sprühstrahls aus dem Oszillator von einer Seite zur anderen.
Bei den Strömungsmengen und den Oszillatorausgängen, die im Hinblick auf eine Verwendung zur Reinigung von Frontscheiben von Automobilen ausgelegt wurden und in denen als Flüssigkeit, die durch derartige Oszillatoren fliesst, eine wässrige Lösung oder eine analoge Flüssigkeit verwendet wird, ist die Strouhal-Zahl S für diese Strömungen als fast konstant beobachtet worden, wobei diese Strouhal-Zahl wie folgt definiert ist: S = fd/vworin bedeuten:

f: = Frequenz der Ablenkungen am Oszillator (Hz),
d: = Breite der Insel im Oszillator (cm),
v: = Geschwindigkeit durch die mittlere Leistungsdüse im Oszillator (cm/s),
S: = Strouhal-Zahl.

Zusätzlich wurde gefunden, dass bei einer Anordnung der Insel 34 im Oszillator unmittelbar stromabwärts von der mittleren Leistungsdüse des Oszillators eine gleichmässige Verteilung von Tropfen im Sprühstrahl aus dem Oszillator bei Winkeln des fächerförmigen Strahls von 20 bis 130° erzielt wurde. Es wird dazu auf 8 verwiesen. Bei einer derartigen gleichförmigen räumlichen Verteilung darf die Anbringungsstelle der Insel 34 stromabwärts im Oszillator nicht zu nahe an der mittleren Leistungsdüse liegen, d. h. nicht so nahe an dieser Düse, dass die Insel die Strömung von den Leistungsdüsen an den Rändern der Wechselwirkungskammer 26 aufteilen könnte. Es wurde gefunden, dass bei Leistungsdüsen mit einer Breite von 0,37 mm ein Abstand von 1,75 mm zwischen dem Ausgang der Düse und dem nächsten Punkt der Insel ausreichend ist, um eine relativ gleichförmige Tröpfchenverteilung zu erreichen.
In 9 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist die Geometrie des Oszillators kompakter (d. h. sein Wechselwirkungsbereich 26 liegt näher am Eingang 28 der Fluidströmung) und die Durchgänge, die zu den zwei äusseren Leistungsdüsen führen, sind enger und daher weniger durchlässig als diejenigen der Ausführungsform des Oszillators, welche in den 5 bis 7 gezeigt ist. Beispielsweise haben die äusseren Leistungsdüsen eine Breite von 0,37 mm, und die Breite der zentralen Leistungsdüse beträgt 0,48 mm.
Weiterhin ist in 10 eine zusätzliche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist die allgemeine Geometrie des Oszillators 18 ähnlich derjenigen in 9, aber bei dieser Ausführungsform sind zwei Reihen von gegeneinander versetzten Filterstäben 36 vorgesehen, die stromabwärts der Fluidzuführungsöffnung 28 und nahe an dieser Öffnung angeordnet sind. Diese versetzte Anordnung von Filterstäben hat sich als Verbesserung gegenüber einer einzigen Reihe von Filterstäben erwiesen, die normalerweise in Fluidikoszillatoren verwendet werden. Die kleinste Dimension ist hier der diagonale Abstand zwischen den Stäben. Ein Verstopfen eines der Durchgänge zwischen diesen Stäben hat eine geringere negative Auswirkung als die Verstopfung eines Durchganges in einer einzigen Reihe von Filterstäben.
Als Ergebnis der gleichmässigeren räumlichen Verteilung von Flüssigkeitströpfchen aus Fluidikoszillatoren dieses Typus, der in diesem Dokument beschrieben ist, werden die Sprühstrahlen aus diesen Oszillatoren häufig als gleichmässig flache oder gleichmässig zweidimensionale Fächersprühstrahlen bezeichnet. Ein solcher Sprühstrahl ist in 11 veranschaulicht.
In manchen Fällen ist es erwünscht, die Dicke derartiger Sprühstrahlen zu erhöhen. Es wurde gefunden, dass diese Forderung dadurch erfüllt werden kann, dass man an der Bodenwandung 38 der Wechselwirkungskammer 26 derartiger Oszillatoren eine nach unten gerichtete Abschrägung 36 anbringt, d. h. die Bodenwandung abschüssig gestaltet. Dies ist in den 12A und 12B dargestellt, die jeweils eine Draufsicht und eine Seitenansicht des Schnittes zeigen; daraus geht das Abström-Ende des dreistrahligen Inseloszillators mit dem erwähnten abschüssigen Boden hervor.
Es wurde gefunden, dass nach unten gerichtete Schrägen 36, d. h. der Abschrägungswinkel, im Bereich von 10° bis 20° relativ dicke Sprühstrahlen ergeben, d. h. die oberen und unteren Ränder dieser Sprühstrahlen gehen auseinander und bilden dann Winkel im Bereich von 5° bis 15°.
In den Fällen, in denen solche Oszillatoren in kälteren Umgebungen verwendet werden, wurde gefunden, dass es zur Aufrechterhaltung ihrer Betriebseigenschaften nützlich ist, sie mit höheren Drücken am Eingang zu betreiben (d. h. oberhalb des Standarddrucks am Eingang zwischen 5 und 15 psi), damit die entstandenen höheren Viskositäten der Flüssigkeiten ausgeglichen werden (d. h. etwa 20 cP und höher), die durch die Oszillatoren bei niedrigeren Temperaturen hindurchgehen. Wenn es nicht möglich oder zu kompliziert ist, solch höhere Eingangsdrücke zu erzeugen, so wurde gefunden, dass bestimmte Änderungen der Auslegung ebenso dazu beitragen können, die Betriebseigenschaften dieser Strömungsleitwege aufrecht erhalten zu können.
Eine solche Änderung der Ausgestaltung ist die Einführung einer Stufe 40a, 40b, 40c unter jeder Leistungsdüse an dem Punkt, an dem sich deren Ausgänge 42a, 42b, 42c mit der Wechselwirkungskammer 26 schneiden, siehe 13.
Die Auswirkung solcher Stufen ist die Ausbildung eines kleinen Gebietes, in dem in der Strömung, welche von den Leistungsdüsen in die Wechselwirkungskammer abgegeben wird, eine Strömungstrennung stattfindet. Die Mischung der Strahlen mit relativ höherer Geschwindigkeit, die aus den Leistungsdüsen austreten, mit einer sich langsamer bewegenden Flüssigkeit, die der Strahl von unten anzieht, erzeugt die gewünschten Instabilitäten in den Strömungseigenschaften der Strahlen. Diese Erscheinung scheint die kontinuierliche schwingende Natur der Strömung aus einem solchen Einsatz zu begünstigen, wenn die Temperatur des Fluids, welches durch den Einsatz strömt, abnimmt.
Es wurde beobachtet, dass mit steigender relativer Höhe der Stufe gegenüber der Höhe der Leistungsdüse die Schwingungsnatur der Sprühstrahlen aus dem Einsatz besser stabilisiert werden kann, wenn die Temperatur des Fluids, welches durch den Einsatz strömt, abnimmt. Es wurde jedoch auch beobachtet, dass die Fächerwinkel solcher Sprühstrahlen etwas abnehmen, wenn eine Temperaturerniedrigung eintritt. Es hat sich dabei als beste Massnahme erwiesen, bei einer gewünschten niedrigeren Betriebstemperatur ein spezifisches Verhältnis der Stufenhöhe zur Düsenhöhe zu wählen, so dass ein ausreichend beständiger schwingender Sprühstrahl aufrecht erhalten wird, wobei nur eine minimale Abnahme des Fächerwinkels der austretenden Sprühstrahlen eintritt.
Es wurde in Versuchen gefunden, dass bei Leistungsdüsen mit einer Höhe von 0,85 bis 0,92 mm in einem Fluidikeinsatz, der unter einem Druck von 5 bis 15 psi arbeitet, eine Stufenhöhe im Bereich von 0,08 bis 0,16 mm in der Lage ist, in der Wechselwirkungskammer geeignete Instabilitäten der Strömungen zu erzeugen, so dass bei niedrigeren Temperaturen eine beständige schwingende Strömung mit nur mini maler Abnahme des Fächerwinkels aus einem solchen Einsatz erhalten wird. Verhältnisse der Stufenhöhen zu den Höhen der Leistungsdüsen im Bereich von 0,10 bis 0,20 wurden als geeignet befunden, die Kälteeigenschaften solcher Oszillatoren wesentlich zu verbessern. Optimale Leistungen wurden mit Verhältnissen von 0,12 bis 0,15 erzielt.
Obschon sich die vorstehende Beschreibung auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung bezieht, wird darauf hingewiesen, dass diese Einzelheiten lediglich zum Zwecke der Erklärung angegeben wurden. Viele Veränderungen und Abweichungen bei der Verwirklichung der Erfindung sind dem Fachmann zugänglich, ohne dass der Geltungsbereich der Erfindung verlassen wird, welcher anschliessend durch die Patentansprüche definiert wird.

Claims

Fluidikoszillator (2), welcher auf ein unter Druck stehendes Fluid, das diesen Fluidikoszillator durchströmt, einwirkt und eine Ausgangsströmung in Form eines Sprühstrahls aus Fluidtröpfchen erzeugt, wobei der genannte Fluidikoszillator einen Einlass (28) für das genannte unter Druck stehende Fluid, eine Anzahl von Leistungsdüsen (24), denen das genannte Druckfluid vom genannten Einlass her zugeführt wird, eine Wechselwirkungskammer (26) anschliessend an die Düsen, in welche das genannte Fluid aus den genannten Düsen eingeleitet wird, wobei diese genannte Kammer einen stromaufwärts gelegenen Bereich (26a) mit zwei begrenzenden Rändern (26c, 26d) und einen stromabwärts gelegenen Bereich (26b) sowie eine längsgerichtete Mittellinie (26e) aufweist, die von beiden genannten Rändern etwa gleich weit entfernt verläuft, und eine Einschnürung (30), durch welche der genannte Sprühstrahl aus der genannten Wechselwirkungskammer austritt, aufweist, gekennzeichnet durch eine Gruppe von drei Leistungsdüsen (24), wobei eine der genannten Leistungsdüsen (24) benachbart zur genannten längsgerichteten Mittellinie (26e) der genannten Wechselwirkungskammer angeordnet ist, und durch eine Insel (34), welche in der genannten Wechselwirkungskammer (26) vorgesehen ist, wobei diese Insel (34) stromabwärts von derjenigen genannten Leistungsdü se (24) gelegen ist, welche benachbart zur genannten längsgerichteten Mittellinie (26e) der genannten Wechselwirkungskammer angeordnet ist.
Fluidikoszillator nach Anspruch 1, bei dem eine der genannten Leistungsdüsen (24) in der Nähe beider begrenzenden Ränder (26c, 26d) des stromaufwärts gelegenen Bereiches der Wechselwirkungskammer angeordnet ist, die Düsen (24) so konfiguriert sind, dass sie die Strömung des genannten unter Druck stehenden Fluids beschleunigen, welches durch die genannten Düsen strömt, und die genannte Einschnürung (30) eine rechte (30a) und eine linke (30b) Seitenwandung aufweist, wobei diese Wandungen stromabwärts auseinanderlaufen.
Fluidikoszillator nach Anspruch 2, bei dem die genannten Leistungsdüsen (24) und die genannte Insel (34) derart orientiert und ausgelegt sind, dass hinter der genannten Insel Strömungswirbel erzeugt werden, die aus der Einschnürung derart ausgestossen werden, dass diese Wirbel abwechselnd nahe der rechten Seitenwandung (30a) und anschliessend nahe der linken Seitenwandung (30b) der genannten Einschnürung austreten.
Fluidikoszillator nach Anspruch 1 oder 3, bei dem die genannte Insel (34) derart konfiguriert ist, dass sie eine dreieckige Form besitzt, welche drei Schnittpunkte (34a, 34b, 34c) aufweist, die von den Seiten der Insel definiert werden, und die genannte Insel derart orientiert ist, dass einer der genannten Punkte (34a, 34b, 34c) der ankommenden Strömung gegenüberliegt, die von der genannten Leistungsdüse (24) her kommt, welche benachbart zur genannten längsge richteten Mittellinie (26e) der genannten Wechselwirkungskammer angeordnet ist.
Fluidikoszillator nach Anspruch 1 oder 4, welcher weiterhin Filterstäbe (32) aufweist, welche zwischen dem genannten Fluideinlass (28) und den genannten Leistungsdüsen (24) angeordnet sind.
Fluidikoszillator nach Anspruch 1 oder 4, bei dem die genannte Wechselwirkungskammer (26) eine Bodenfläche (38) aufweist und sich diese Bodenfläche in Richtung vom stromaufwärts gelegenen Bereich (26a) zum genannten stromabwärts gelegenen Bereich (26b) der genannten Kammer neigt.
Fluidikoszillator nach Anspruch 6, bei dem die Neigung der Bodenfläche im Bereich zwischen 10° und 20° liegt.
Fluidikoszillator nach Anspruch 1 oder 4, welcher weiterhin eine Stufe (40a, 40b, 40c) in Höhe des Bodens der genannten Leistungsdüsen (24) gegenüber der genannten Bodenfläche (38) der genannten Wechselwirkungskammer aufweist.
Fluidikoszillator nach Anspruch 8, bei dem das Verhältnis der Höhe dieser Stufe (40a, 40b, 40c) zur Höhe der genannten Leistungsdüsen (24) im Bereich von 0,10 bis 0,20 liegt.
Verfahren zur Erzeugung eines Sprühstrahls aus Fluidtröpfchen, welches die folgenden Schritte enthält: Einleiten eines unter Druck stehenden Fluids durch einen Einlass (28), Anordnen einer Anzahl von Leistungsdüsen (24) stromabwärts vom genannten Einlass, Anbringen einer Wechselwirkungskammer (26) stromabwärts von den genannten Düsen und Konfigurieren dieser Kammer zur Aufnahme des Abstroms der genannten Düsen, wobei die genannte Kammer (26) einen stromaufwärts gelegenen Bereich (26a) mit zwei begrenzenden Rändern (26c, 26d) und einen stromabwärts gelegenen Bereich (26b) sowie eine längsgerichtete Mittellinie (26e) aufweist, die von beiden genannten Rändern etwa gleich weit entfernt verläuft, Versehen der genannten Kammer mit einer Einschnürung (30), durch welche der genannte Sprühstrahl aus der genannten Wechselwirkungskammer austritt, gekennzeichnet durch den Einbau einer Gruppe von drei Leistungsdüsen (24), wobei eine der genannten Leistungsdüsen (24) benachbart zur genannten längsgerichteten Mittellinie (26e) der genannten Wechselwirkungskammer angeordnet ist, und Einsetzen einer Insel (34) in die genannte Wechselwirkungskammer, wobei diese Insel (34) stromabwärts von derjenigen genannten Leistungsdüse (24) gelegen ist, welche benachbart zur genannten längsgerichteten Mittellinie (26e) der genannten Wechselwirkungskammer angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem eine der genannten Leistungsdüsen (24) in der Nähe beider begrenzenden Ränder (26c, 26d) des stromaufwärts gelegenen Bereiches der Wechselwirkungskammer angeordnet ist, die Düsen (24) so konfiguriert sind, dass sie die Strömung des genannten unter Druck stehenden Fluids beschleunigen, welches durch die genannten Düsen strömt, und die genannte Einschnürung eine rechte (30a) und eine linke (30b) Seitenwandung aufweist, wobei diese Wandungen stromabwärts auseinanderlaufen.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die genannten Leistungsdüsen (24) und die genannte Insel (34) derart orientiert und ausgelegt werden, dass hinter der genannten Insel Strömungswirbel erzeugt werden, die aus der Einschnürung (30) derart ausgestossen werden, dass diese Wirbel abwechselnd nahe der rechten Seitenwandung (30a) und anschliessend nahe der linken Seitenwandung (30b) der genannten Einschnürung austreten.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 12, bei dem die genannte Insel (34) derart konfiguriert wird, dass sie eine dreieckige Form aufweist, welche drei Schnittpunkte (34a, 34b, 34c) aufweist, die von den Seiten der Insel definiert werden, und die genannte Insel derart orientiert wird, dass einer der genannten Punkte (34a, 34b, 34c) der ankommenden Strömung gegenüberliegt, die von der genannten Leistungsdüse (24) her kommt, welche benachbart zur genannten längsgerichteten Mittellinie (26e) der genannten Wechselwirkungskammer angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 13, welches als zusätzlichen Schritt die Anordnung von Filterstäben (32) zwischen dem genannten Fluideinlass (28) und den genannten Leistungsdüsen (24) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 13, bei dem die genannte Wechselwirkungskammer eine Bodenfläche (38) aufweist und sich diese Bodenfläche in Richtung vom stromaufwärts gelegenen Bereich (26a) zum genannten stromabwärts gelegenen Bereich (26b) der genannten Kammer neigt.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die Neigung der Bodenfläche im Bereich zwischen 10 und 20° liegt.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 13, bei dem als zusätzlicher Schritt eine Stufe (40a, 40b, 40c) in Höhe des Bodens der genannten Leistungsdüsen gegenüber der genannten Bodenfläche der genannten Wechselwirkungskammer vorgesehen wird.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem das Verhältnis der Höhe dieser Stufe (40a, 40b, 40c) zur Höhe der genannten Leistungsdüsen (24) im Bereich von 0,10 bis 0,20 liegt.
Waschanlage für Windschutzscheiben von Automobilen, welche einen Fluidikoszillator (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist, der als Einsatz (18) in ein Gehäuse (19) der genannten Anlage ausgestaltet ist.