DE2815085A1

DE2815085A1 - Vorrichtung zur erzeugung stabiler luftwirbel

Info

Publication number: DE2815085A1
Application number: DE19782815085
Authority: DE
Inventors: Nathaniel Hughes
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-04-08
Filing date: 1978-04-07
Publication date: 1978-12-14
Also published as: IT1156946B; US4109862A; JPS53130512A; JPS604743B2; BE865730A; IT7867776A0; ES468621A1; SE7803945L; FR2386354A1; AR218659A1; IL54432A0; FR2386354B3; NO781206L; BR7802170A; NL7803682A; AU3474078A; CA1098564A; GB1603701A

Description

Beschreibung

Die Erfindung beschäftigt sich mit der Erzeugung von Wirbeln in strömungsfähigem Medium, und zwar insbesondere mit einem verbesserten Gerät zur Erzeugung eines Wirbels, das als Atomisiergerät und/oder als Schallenergiewandler verwendet werden kann.

Es gibt Schallenergiewandler, bei denen Schallwellen durch Beschleunigen eines Gases auf supersonische (überschall-)Geschwindigkeit in einer Düse erzeugt werden. Um einen Überschallstrom zu erzeugen, war es bisher nötig, einen großen Druckabfall vom Einlaß zum Auslaß der Düse aufzubauen. Um hinreichend hohe Energiepegel für eine wirksame Atomisierung und für andere Zwecke zu erzeugen, haben bekannte Schallenergiewandler einen Resonator jenseits des Auslasses der Oberschalldüse verwendet, beispielsweise wie in der US-Patentschrift 3 230 924 beschrieben ist, oder es wurde eine Kugel im divergierenden Abschnitt der überschalldüse benutzt (US-Patentschrift 3 806 029).

Mit Hilfe einer stabilen wirksamen Wirbelerzeugung wird nun erfindungsgemäß ein Überschallstrom und höherer Energiepegel mit niedrigerem Druckabfall als bei bekannten, mit überschaildüsen arbeitenden Geräten erzeugt. Resonatoren oder Kugeln sind nicht erforderlich, um erfindungsgemäß hohe Energiepegel zu erzeugen, obgleich sie mit Vorteil zur Erhöhung des Energetisierpegels unter gewissen Umständen verwendet werden können.

Erfindungsgemäß wird zwischen einem Einlaß und einem Auslaß ein Strömungskanal gebildet, der sich in ein Gebiet von Umgebungsdruck öffnet. Eine Gasquelle mit

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einem höheren als umgebungsdruck ist mit dem Einlaß verbunden und induziert eine Gasbewegung durch den Strömungskanal längs einer Durchflußachse. Eine Rotationsbewegung um die Durchflußachse wird dem Gas im Durchflußkanal aufgeprägt, '■ wahrere tornadoartige Wirbel in einem rotieiei^ a Ring um die Strömungsachse zu erzeugen. Mehrere Wirbel v/erden zu einem einzigen Wirbel kombiniert, der um die Durchflußachse rotiert und in dem Durchflußkanal auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt wird. Es ergibt sich eine dreidimensional ausbreitende Schallenergie, die aus dem Auslaß in das Gebiet mit umgebungsdruck abgegeben wird.

Ein Merkmal der Erfindung besteht in der Verwendung eines inneren Wirbelkörpers etv/a in der Form eines Kegelstumpfes oder einer ebenen Scheibe, um dem Gas die Rotationsbet'/egung in dem Durchflußkanal aufzuprägen. Der Wirbelkörper ist in dem Durchflußkanal· zwischen Einlaß und Auslaß angeordnet. Eine Verengung ist auf der Abstromseite des Wirbelkörpers in dem Durchflußkanal ausgebildet. Vorzugsweise verläuft der Einlaß quer zur Durchflußachse und kann so angeordnet sein, daß der Boden und ein Kantenabschnitt des Wirbelkörpers nur dem Einlaß direkt ausgesetzt sind.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht in der Verwendung einer Stange,, die sich längs des Durchflußkanais erstreckt, um dem Gas Rotationsbewegung aufzuprägen und den Wirbel-erzeugenden Vorgang zu stabilisieren. Außerdem kann die Stange als Träger des Kegelstumpfes sowie zur Flüssigkeitszufuhr in der Verengung zur Atomisierung dienen. In einer Ausführungsform erstreckt sich ein Ende der Stange über den Auslaß hinaus und ist mit einer Kugel verbunden.

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Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht in einem äußeren Wirbelkörper, der am Auslaß eines Durchflußkanals angeordnet ist, welcher einen Wirbel in dem durchströmenden Medium erzeugt. Der Wirbelkörper liegt außerhalb des Kanals und unterbricht und verstärkt die Aktivierung des wirbelnd durch den Kanal strömenden Mediums, indem eine stehende Stoßwelle gebildet wird, die als Reflektor für die Schallenergie in dem aus dem Auslaß des Kanals ausströmenden Medium dient.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht in einem am Auslaß eines Durchflußkanals angeordneten Resonator, der einen Wirbel in dem durch ihn durchfließenden Medium erzeugt. Der Resonator liegt außerhalb des Kanals und schneidet den wirbelnd durch den Kanal strömenden Mediumstrom. Der Resonator verstärkt die Aktivierung des wirbelnd strömenden Mediums. Ein äußerer Wirbelkörper liegt zwischen dem Auslaß und dem Resonator. Der Resonator erzeugt starke Schallwellen, die eine starke Atomisierung erzeugen können.

Nachfolgend v/erden die Merkmale spezieller Ausführungsformen der Erfindung im einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer mit den Merkmalen der Erfindung ausgestatteten Wirbel-erzeugenden Vorrichtung;

Fig. 2 eine vordere Draufsicht auf die Stirnseite der Vorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 3 ein schematisches Diagramm zur Erläuterung der gerichteten Gasströmung in der Wirbel-erzeugenden Vorrichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Gasströmung in der Vorrichtung aus

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Fig. 1 in einer gegenüber der Darstellung der Fig. 3 unter einem Winkel von 90° liegenden Ebene;

Fig. 5 eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer mit den Merkmalen der Erfindung ausgestatteten Wirbel-erzeugenden Vorrichtung ;

Fig. 6 eine schematische Darstellung der Gasströmung in einer erfindungsgemäßen Wirbel-erzeugenden Vorrichtung;

Fig. 7 eine aufstromseitige Stirnansicht der Gasströmung in einer erfindungsgemässen Vorrichtung;

Fig. 8 eine schematische Seitenansicht einer Veränderung des Rings gemäß Fig. 5;

Fig. 9 eine schematische Seitenansicht einer abgewandelten Scheibe aus Fig. 5;

Fig. 10 eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wirbel-erzeugenden Vorrichtung;

Fig. 11 ein schematisches Diagramm einer Wirbelerzeugenden Vorrichtung mit einem äußeren Wirbelkörper gemäß der Erfindung;

Fig. 12 ein schematisches Diagramm einer Abwandlung des äußeren Wirbelkörpers aus Fig. 11;

Fig. 13 ein schematisches Diagramm einer weiteren Abwandlung des äußeren Wirbelkörpers aus Fig. 11;

Fig. 14 ein schematisches Diagramm eines Ersatzes für einen äußeren Wirbelkörper aus Fig. 11;

Fig. 15 eine schematische Darstellung, einer weiteren Ausführungsform eines äußeren Wirbelkörpers ;

Fig. 16 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines äußeren Wirbelkörpers ;

Fig. 17 eine schematische Darstellung einer Wirbelerzeugenden Vorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Resonator; und

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Fig. 18 eine schematische Darstellung eines abgeänderten Resonators gemäß Fig. 17.

Gemäß Fig. 1 besitzt ein zylindrischer Wandlerkörper

10 eine zylindrische Achse 11. Eine Zylinderbohrung ist in einem Ende des Körpers 10 in Ausrichtung auf die Achse 11 ausgebildet. Eine Düse 13 ist in einer Gegenbohrung am offenen Ende der Bohrung 12 mit Gewinde 14 eingeschraubt. Neben der Bohrung 12 besitzt die Düse 13 einen Zylinderabschnitt 15 mit kleinerer Querschnittsfläche als die Bohrung 12. Ein divergierender Abschnitt 16 verbindet Abschnitt 15 mit einem Auslaß 17 des Wandlers, der sich in ein Gebiet von Umgebungsdruck öffnet. Der Zylinderabschnitt 15 und der divergierende Abschnitt 16 sind auf die Achse 11 ausgerichtet.

Eine in der Seite des Körpers 10 ausgebildete zylindrische Bohrung 20 trifft die Bohrung 12. Bohrung 20 besitzt eine zylindrische Achse 21, die die Achse

11 rechtwinklig schneidet. Ein Zylinderrohr 22 sitzt in der Bohrung 20, in welcher es beispielsweise durch Verschweißen o. dgl. gesichert ist. Die Innenseite des Rohres 22 dient als Einlaß 23 für den Wandler. Eine Gasquelle 24 ist mit dem Einlaß 23 verbunden. Das Gas von der Quelle 24 steht unter einem höheren Druck als Umgebungsdruck in dem Bereich, in welchem der Auslaß 17 öffnet. Eine hohle Stange 30 erstreckt sich durch den Körper 10 und die Bohrung 12 und die Düse 13 in Ausrichtung auf die Achse 1], Zur Halterung und Verbindung einer Flüssigkeitsquelle 31 paßt die Stange 30 in eine Bohrung zwischen Bohrung 12 und dem der Düse 13 gegenüberliegenden Ende des Körpers 10. Ein Konus ist auf der Stange 30 zwischen Einlaß 23 und Düse 13 befestigt. Der kegelförmige Konus 32 besitzt einen von der Düse 13 wegweisenden, d. h. zur AufStromseite weisenden Boden und einen zulaufenden Stumpf, der zur Abstromseite, d. h. zur Düse 13 hinweist. Gemäß Fig. 1

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ist der Konus 32 axial so positioniert, daß sein Eoden und ein Teil von ihm direkt dem Einlaß 23 ausgesetzt sind, d.h. in einer direkten Linie einer Gasströmung durch den Einlaß 23 in die Bohrung 12. Mehrere, beispielsweise vi. Flüssigkeitsauslaßöffnungen 33 sind in de _ange 30 im zylindrischen Abschnitt 15 ausgebildet. Ein Ende der Stange 30 erstreckt sich über den Auslaß 17 hinaus, wo eine Kugel 34 auf ihr befestigt ist.

Im Betrieb wird der Strom des Gases aus der Quelle 24 durch das Einlaßrohr 22 durch die Stange 30 unterbrochen und trifft nur auf einen Teil des Konus 32 quer zur Achse 11. Bohrung 12, zylindrischer Abschnitt 15 und divergierender Abschnitt 16 bilden einen Durchflußkanal zwischen Einlaßrohr 22 und Auslaß 17. Die Düse 13 mit zylindrischem Abschnitt 15 und divergierendem Abschnitt 16 bildet eine Einschnürung in diesem Durchflußkanal, und die Achse 11 dient als gemeinsame Strömungsachse längs der und um welche das Gas aus der Quelle 24 zum Auslaß 17 strömt. Der Konus 32 und in geringerem Ausmaß die Stange 30 prägen dem Gas eine rotatorische Bewegung um die Achse 11 auf, wie Fig. 3 und 4 erläutern. Folglich strömt ein stabiler Gasv/irbel durch den Strömungskanal von links nach rechts bei der in Fig. 1 gewählten Darstellungsweise. Die Hotationsrichtung ist dann auch i»H Gegensinn des Uhrzeigers, wenn man in Fig. von. links nach rechts sieht, und die Achse liegt parallel zur Strömungsrichtung, d. h. parallel zur Achse 11. Dieser Wirbel erzeugt am Einlaß des Zylinderabsciinittes 15 einen unters tinosphärischen Druck (unterdruck) , der mit dem Überdruck der Quelle 24 in Beziehung steht, d. h. je höher der überdruck der Quelle 24 ist, desto niedriger ist der absolute Druck am Zylinderabschnitt 15, da absoluter Druck Null erreicht wird. Die Abnahme im absoluten Druck am zylindrischen

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Abschnitt 15 mit zunehmeridem Überdruck der Quelle 24 ist etwa linear über einen großen Bereich. Da der Überdruck der Quelle 24 über diesen Bereich angehoben wird, d. h. bei ungefähr 80 psig liegt, nimmt der Unterdruck am Zylinderabschnitt 15 ab und fällt dann geringfügig.

Der Wirbel erzeugt durch

Rotation starke Zentrifugalkräfte und ein Atomisiereffekt nicht unähnlich dem von einer Zentrifuge erzeugten wird erreicht. Der Wirbel erzeugt den Unterdruck am Zylinderabschnitt 15; wenn der überdruck der Quelle 24 weiter ansteigt, rotiert der Wirbel stärker und der absolute Unterdruck an der Mitte des Wirbels fällt ab, und die sich ergebende Energie baut sich in einer turbinenartigen Weise auf. Für jeden Wert des Gasquellendruckes gibt es einen Nullpunkt des minimalen Unterdrucks längs Achse 11.

Dieser V/irbel erzeugt einen ausreichenden Druckabfall, um das kritische Druckverhältnis für eine Überschallströmung zwischen Quelle 35 und Zylinderabschnitt mit einem sehr viel niedrigeren Gasquellendruck als bisher üblich aufzubauen und zu überschreiten. Die Gasströmung durch die Düse 13 wird daher auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt und rotiert um die gemeinsame Strömungsachse. Es ergibt sich eine dreidimensionale Schallwelle jenseits des Auslasses 17. Die Kugel 34 erzeugt eine stehende Stoßwelle, die mit der Schallwelle in Wechselwirkung tritt und die sich ergebende Schallenergie erhöht. Jedoch liegt diese Schallenergie nicht im hörbaren Bereich. Die Inten-

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sität der Schallenergie wird durch Erwärmen, Mischen, Überlagerung der ziemlich niedrigen Frequenz der Rotationskomponente der Gasbewegung, d. h. des Gaswirbelstromes um die gemeinsame Achse, mit der ziemlich hohen Frequenz der transfertorischen Komponente der Gasbewegung, d. h. der Gasbewegung in Richtung
der gemeinsamen Strömungsachse, erhöht. Die niederfrequente Komponente kann durch Erhöhen des Durchmessers des Konus 32 reduziert werden. Dies erhöht die sich ergebende Anzahl von Stoßfrequenzen.

Der Zylinderabschnitt 15 liefert eine vorteilhafte
Stelle für die Einführung einer zu atomisierenden
oder zu zerstäubenden Flüssigkeit, wie etwa Benzin, Farbe, chemische Sprays etc., und zwar wegen des
durch dan Gaswirbel dort erzeugten Unterdrucks. Eine derartige Stelle der Flüssigkeitseinspeisung erzeugt eine Pumpwirkung auf die Quelle 31 aufgrund des Unterdruckes, der Flüssigkeit in den Gasstrom durch die
Löcher 33 hereinzieht und die Flüssigkeit wirksam
atomisiert und/oder zerstäubt und/oder verdampft. Die Stelle der Einspeisöffnungen im Abschnitt 15, an der Unterdruck erzeugt wird, fördert ferner eine kavitationsartige Wirkung oder blasenbildende Wirkung der Flüssigkeit, die die Zerstäubung und Atomisierung durch Verkochen der Flüssigkeit weiter verbessert.

Die Stange 30 dient mehreren Zwecken. Zunächst dient sie als zugausübendes Bauteil bei der Bildung des Gaswirbels. Sodann erhöht sie die Energiedichte im Strömungskanal durch Reduzierung der Querschnittsfläche. Zum dritten bewegt sie die Masse der Gaspartikel, die durch den Durchflußkanal längs seines Umfanges strömen, um die Grenzschicht zu stabilisieren und einen konzentrischen Stoß zu erzeugen. Viertens fokussiert sie das wirbelnd strömende Gas in die Verengung und dient als Führung für ihren Weiterlauf zum Ende der Stange. Zum fünften

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ist zu erwähnen, daß sie als Leitung zur Führung der Flüssigkeit zum Zylinderabschnitt 15 dient. Sechstens schließlich trägt sie den Konus 32 in die Kugel 34. Die Eigenschaften des Wandlers können durch Ersetzen der Stange 30 durch eine neue Stange mit unterschiedlichem Durchmesser verändert werden. Jedoch beträgt die Querschnittsfläche der Stange 30 zweckmäßig vorteilhafterweise zwischen 10% und 20 % der minimalen Querschnittsfläche der Einschnürung, d.h. der Querschnittsfläche des zylindrischen Abschnittes 15. Wenn die Querschnittsfläche der Stange 30 viel kleiner als 10 % ist oder 50 % der minimalen Querschnittsfläche der Einschnürung, d. h. der Fläche der Einschnürung ohne Stange, überschreitet, wird die Arbeitsweise der Vorrichtung beeinträchtigt, so daß die mitgeteilten Grenzwerte daher nicht überschritten werden sollten.

Der Konus 32 dient als Zugteil zur Ausbildung des Gaswirbels längs der Stange 30. Die Drehbewegung dieses Gaswirbels stabilisiert die Grenzschichten innerhalb des Durchflußkanals und fördert dadurch eine effizientere Beschleunigung auf Überschallgeschwindigkeit. Die Eigenschaften des Wandlers können auch dadurch geändert werden, daß der Konus 32 durch einen Konus mit anderem Basisdurchmesser und/oder halbem Winkel ersetzt wird.

Der am zylindrischen Abschnitt 15 erzeugte Unterdruck hängt von dem Raum zwischen dem Konus 32 und dem Einlaß des Zylinderabschpittes 15 ab. Im einzelnen ist su sagen, daß daxin _f wenn der Konus 32 näher auf den Einlaß des Zylinderabschnittes 15 zu kommt, der Unterdruck zunimmt. Dies fördert die Zerstäubung und die Atomisierung aufgrund Kavitationsbildung für

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sehr kleine "wirksame Mündungsflächen der Vorrichtung. Für kleine Druckabfälle und/oder Durchflußraten bleibt die Atomisierwirkung gut wegen der erhöhten Energiedichte an der Ringmündung aufgrund der Zunahme der Winkeigeschwir--' '-jkeit, die sich aus der Erhaltung des Drehmome * ergibt. Beispielsweise findet gute Atomisierung bei einem Quellendruck von nur 1 psig und einer Durchflußrate von nur 2 Kubikfuß pro Stunde statt=

Der von dem Konus 32 ausgeübte Zug erhöht sich, wenn der Einlaßgasstrom auf den Konus 32 unter einem Winkel von 90° zu seiner Achse statt parallel zur Achse gerichtet wird. Das Vorstehen der Basis des Konus 32 in den Weg des Einlasses 23 schafft eine größere öffnung auf dem unteren Drittel des Umfangs des Konus 32 als bei den restlichen zwei Dritteln. Die sich ergebende Differenz im Strömungswiderstand fördert die Rotationsbewegung des Gases. Somit kann der Konus 32 ein wirksames dynamisches Widerstandseiement bilden, da es den statischen Druck des Gases im Einlaß 23 in Rotationsbewegung in der Bohrung 12 umsetzt. Das untere Drittel der Basis des Konus 32 wirkt ebenfalls als Messerkante in dem Gasstrom, der in die Bohrung 12 aus dem Einlaß 23 eintritt, wodurch weiter die Gaswirbelbildung und die Schallenergieproduktion erhöht und verbessert werden=

Die Kugel 34 dient ebenfalls als Widerstandsbauteil und als ein Stoßreflektor für die Schallwellen, die aus dem Auslaß 17 austreten. Anders als die Kugel in der Düse gemäß US-Patent 3 3Ö6 029 ist die Stellung der Kugel jenseits des Auslasses 17 nicht kritisch. In vielen Anwendungsfällen kann auf die Kugel 34 vollständig verzichtet werdan, ohne daß der Schailenergiepegei nachteilig beeinflußt werden würde.

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In einem typischen Ausführungsbeispiel kann die Vorrichtung gemäß Fig. 1 und 2 die folgenden Abmessungen haben: Durchmesser des Einlasses 23: 0,312 Zoll; Durchmesser der Bohrung 12: 0,312 Zoll; Länge der Bohrung 12: 0,312 Zoll; Durchmesser des Abschnittes 15: 0,200 Zoll; Länge des Abschnittes 15: 0,162 Zoll; Durchmesser des Abschnittes 16 am Auslaß 17: 0,295 Zoll; Halbwinkel des Abschnittes 15: 15° zur Achse 11; Länge des Abschnittes 16: 0,166 Zoll; Durchmesser der Stange 30: 0,93 Zoll; Basis des Konus 32: 0,200 Zoll; Halbwinkel des Konus 32: 34,6°; Länge des Konus 32: 0,069 Zoll; Durchmesser der Kugel 34: 0,187 5 Zoll; Abstand vom Auslaß 17 zur Mitte der Kugel 34: 0,100 Zoll; Abstand von der Basis des Konus 32 zur Innenfläche des Rohres 22 längs an der Linie parallel zur Achse 11: 0,020 Zoll.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5, bei der die gleichen Bezugszeichen gleiche Bauteile wie bei der im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Vorrichtung bezeichnen, finden sich manche der Bauteile aus der Wirbel-erzeugenden Vorrichtung gemäß Fig. 1 wieder, jedoch mit folgenden Ausnahmen: Bohrung 12 erstreckt sich vom Einlaß 23 ganz bis zum Auslaß 17 und die Düse 13 fehlt; eine dünne ebene kreisförmige Scheibe 50 ist auf der Stange 30 anstelle des Konus montiert; ein dünner ebener Ring 51 mit einer zentralen kreisförmigen öffnung 52 ist in der Bohrung 12 zwischen Scheibe 50 und Auslaß 17 befestigt, und bildet die Einschnürung anstelle der Düse 13; die Kugel 34 fehlt; und die Stange 30 ist so gekürzt, daß sie an der abstromseitigen Kante des Ringes 51 endet. Die Scheibe 50 besitzt eine zylindrische Oberfläche. Die Stange 30, Bohrung 12, Scheibe 50, Ring 51 und öffnung 52 sind sämtlich zur Achse 11 konzentrisch. Die Scheibe 50 arbeitet voll äquivalent zum Konus 32 unter den meisten

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Betriebsumständen. Die Stärke der Scheibe 50 ist kein signifikanter Faktor, ist jedoch vorzugsweise kleiner als die Hälfte ihres Durchmessers. In ähnlicher Weise ist die Stärke des Konus 32 in Fig. 1 ebenfalls vorzugsweise kleiner als die Hälfte seines Basisdurchmessers. Es ist nicht notwendig, daß ein Teil der Scheibe 50 direkt dem Einlaß 23 ausgesetzt ist, wie das bei dem Konus 32 der Fall war, jedoch sollte der Einlaß 23 so nahe wie möglich an der Scheibe 50 angeordnet sein, was Fig. 5 erläutert. Wenn der Abstand zwischen Einlaß 23 und Scheibe 50 zunimmt, sinkt der Wirkungsgrad der Vorrichtung. Der Ring 51 arbeitet als volles Äquivalent zur Düse 13 unter den meisten Betriebsumständen. Für eine Überschallströmung ist seine Stärke, d. h. seine Dimensionlängsachse 11, wenigstens die Hälfte des Durchmessers der Scheibe 50. In ähnlicher Weise ist auch die Länge des zylindrischen Abschnittes 15 in Fig. 1 vorzugsweise wenigstens die Hälfte des Basisdurchmessers des Konus 32.

Für einen möglichst effizienten Betrieb ist der Abstand zwischen Scheibe 50 und der Aufstromseite des Ringes 51 zweckmäßig ungefähr gleich dem Durchmesser der Scheibe 50 oder der Hälfte des Durchmessers der Scheibe 50. Wenn der Abstand zwischen der Scheibe 50 und Ring 51 kleiner als der Durchmesser der Scheibe 50, jedoch nicht di© Hälfte des Durchmessers der Scheibe 50 ist, erhält man einen weniger wirksamen, jedoch sonst zufriedenstellenden Betrieb. Wenn der Abstand zwischen Scheibe 50 und Ring 51 größer als der Durchmesser der Scheibe 50 ist, fällt der Wirkungsgrad der Vorrichtung rapide ab mit zunehmendem Abstand, speziell wenn er mehr als das Doppelte des Durchmessers der Scheibe 50 ist. In ähnlicher Weise erhält man den effizientesten Betrieb bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1, wenn der Abstand zwischen der

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Basis des Konus 32 und dem Zylinderabschnitt 15 etwa gleich dem Basisdurchmesser des Konus 32 oder der Hälfte des Basisdurchmessers des Konus 32 ist. Der Durchmesser der öffnung 52 steuert die Durchsatzrate durch die Vorrichtung. Die Scheibe 50 und der Ring 51 können als Wirbellinsen angesehen werden, die den Gasstrom durch die Bohrung 12"fokussieren", um eine Überschalldüse zu simulieren. Falls erwünscht, kann die Stange 30 über den Auslaß 17 hinaus sich erstrecken, um Wirbelkörper und/oder einen Resonator in noch zu beschreibender Weise zu montieren und zu tragen.

Das Haupterfordernis besteht darin, den Gasstrom, der in die Bohrung 12 aus dem Einlaß 23 eintritt, mit einem Wirbelkörper zu unterbrechen. Dieser Wirbelkörper kann sehr unterschiedliche Formen haben, jedoch die wirksamsten Formen bestehen aus einer ebenen kreisförmigen Fläche für den Gasstrom, nämlich der Konus 32 gemäß Fig. 1 und die Scheibe 50 gemäß Fig. 5. In einem typischen Ausführungsbeispiel besitzt die Vorrichtung nach Fig. 5 folgende Abmessungen: Durchmesser des Einlasses 23: 0,312 Zoll; Durchmesser der Bohrung 12: 0,312 Zoll; Länge der Bohrung 12: 0,686 Zoll; Durchmesser der Scheibe 50: 0,200 Zoll j Stärke der Scheibe 50: 0,032 Zoll; Durchmesser der öffnung 52: 0,150 Zoll; Stärke des Ringes 51: 0,100 Zoll; Abstand zwischen dem aufstromseitigen Ende der Bohrung 12 und der aufstromseitigen Fläche der Scheibe 50: 0,496 Zoll; Abstand zwischen der abstromseitigen Fläche der Scheibe b0 und der aufstromseitigen Fläche von Ring 51: 0,200 Zoll; Durchmesser der Stange 30: 0,093 Zoll; Durchmesser der öffnungen 33: 0,032 Zoll? und die Länge der Stange 30 in der Bohrung 12; 0,596 Zoll.

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Fig. 6 und 7 erläutern die Gasströmung im einzelnen in der Wirbel-erzeugenden Vorrichtung gemäß Fig. 5. Wenn der durch Pfeile 60 dargestellte unterbrochene Gasstrom über die ebene Aufstromfläche der Scheibe 50 und um deren Kante herum st. it, werden eine Anzahl kleiner tornadoähnlichr . Wirbel 61 in einem Ring koaxial zur Achse 11 gebildet. Anders als die Wirbelablösung, die normalerweise auftritt, wenn ein nicht stromlxnienförmiger Körper in einem Mediumstrom liegt, sind die Wirbel 61 ganz stabil und haben Achsen parallel zur Flußrichtung des Stromes, d. h. parallel zur Achse 11. Jeder Wirbel 61 nimmt an Umfang bei seiner Abstrombewegung wie Fig. 6 zeigt zu und rotiert um seine eigene Achse in Gegenrichtung des Uhrzeigers bei Blickrichtung in Abstromrichtung (Fig. 7). Die Wirbel 61 besitzen somit konische Umhüllungskurven, die bei ihrer Abstrombewegung sich zu vermengen suchen. Die umhüllenden der Wirbel 61 drehen sich auch alle um die Achse 11 im Gegensinn des Uhrzeigers bei Blickrichtung nach Abstromrichtung, wie die Pfeile 62 in Fig. 7 andeuten sollen. Die ebene Aufstromfläche des Ringes 51 unterbricht den Strom der Wirbel 61, wodurch das Gas zu einer einwärts gerichteten Strömung in Richtung auf die Achse 11 zu veranlaßt wird, wie die Pfeile 63 in Fig. 6 zeigen. Folglich strömt das Gas an Wirbeln 61 durch die öffnung 52 und die Wirbel vermischen sich zusammen und bilden einen einzigen großen Wirbel 64, der um die Stange 30 dreht. In gewissem Ausmaß überleben die einzelnen kleinen Wirbel das Vermischen an der öffnung 52 und sind in dem großen Wirbel 64 vorhanden. Wie oben erläutert, erzeugt die Wirbelströmung auf der Abstromseite der Scheibe 50 Unterdruck, wenn die Wirbel 61 sich zu einem einsigen Wirbel 64 vereinigen und durch den Ring 51 laufen»

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Ein ähnliches Wirbelbild wird von dem Konus 32 und der Aufstromseite der Düse 13 gemäß Fig. 1 erzeugt. Messungen zeigten, daß der Unterdruck in den Wirbeln 61 wesentlich kleiner, d. h. zwei bis drei Mal kleiner ist als der Unterdruck im Wirbel 64. Somit kann das Gas, das die einzelnen Wirbel 61 bildet, mit Überschallgeschwindigkeit strömen, selbst wenn das den einzelnen Wirbel 64 bildende Gas nicht mit Überschallgeschwindigkeit strömt. Die Ausbildung der einzelnen Wirbel 61 ist ein wichtiger Teil des gesamten Prozesses. Es scheint, daß der Unterdruck an der Verengung direkt mit der Anzahl der gebildeten Wirbel 61 zusammenhängt. Für eine gegebene Ring-Querschnittsfläche zwischen Bohrung 12 und Scheibe 50 werden die meisten einzelnen Wirbel 61 auf einem Wirbelkörper gebildet, der eine kreisförmige Fläche darbietet, da ein Kreis den größten Umfang für die Ausbildung der einzelnen Wirbel 61 darstellt.

Für den wirksamsten Betrieb der Vorrichtung gemäß Fig. 1 oder der Vorrichtung gemäß Fig. 5 ist es zweckmäßig, mehrere Punkte zu beachten. Die erste Regel besteht darin, daß die Querschnittsfläche des Ringes zwischen Konus 32 (oder Scheibe 50) und der Fläche der Bohrung 12 wenigstens 12 % größer und vorzugsweise 20 % größer ist als die minimale Querschnittsfläche der Verengung, d. h. der Querschnittsfläche des zylindrischen Abschnitts 15 (oder der öffnung 52). Die zweite Regel besagt, daß der Ringraum zwischen Oberfläche der Bohrung 12 und Konus 32 (oder Scheibe 50) so klein wie möglich sein soll unter Beachtung der ersten Regel. Das Verhältnis dieses Raums zum Basisdurchmesser des Konus 32 sollte niemals 30 % überschreiten oder,in anderen Worten, das Verhältnis des Basisdurchmessers des Konus 32 zum Durchmesser der Bohrung 12 sollte wenigstens 0,625 betragen. Nach

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der dritten Regel soll der Umfang des Konus 32 (oder der Scheibe 50) so groß wie möglich sein, jedoch unter Beachtung der ersten und zweiten Regel.

Fig. 8 erläutert eine abgewandelte Ausführungsform des Ringes 51 aus der Ausführungsform gemäß Fig. 5. Statt daß ebene Flächen vorgesehen sind, hat der Ring 51 konkave konische Flächen, die das Vermischen der Wirbel in dem die öffnung 52 eintretenden Gas unterstützen. Fig. 9 zeigt eine Abänderung der Scheibe 50 aus der Ausführungsform der Fig. 5. Hier ist die Kante der Scheibe 50, statt rein zylindrisch, gephast, konisch gehalten oder abgeschrägt. Mit anderen Worten, die Aufstromseite der Scheibe 50 hat einen größeren Durchmesser als die Abstromseite. Wenn zu zerstäubende Flüssigkeit durch die Stange 30 zugeführt wird und die Stange 30 in der Verengung endet (Fig. 8), kann ein einziges Abgabeloch am Ende der Stange 30 vorgesehen sein, d. h. die öffnung in der Stange 30 weist dann zur Abstromseite. In einem speziellen Ausführungsbexspiel bildet die konische Fläche des Ringes 51 einen Halbwinkel von 60° mit Achse 11, und die konische Fläche der Scheibe 50 bildet einen Winkel von 15° mit Achse

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 10, bei der die gleichen Teile wieder die gleichen Bezugszeichen tragen wie bei der Wirbel-erz^eugenden Vorrichtung gemäß Fig. 1, bestehen die. folgenden Unterschiede: Die Bohrung 12 erstreckt sich vom Einlaß 23 bis zum Auslaß 17 und Düse 13 fehlt} ein Konus 70 weist mit seiner Basis vom Konus 32 weg und mit seiner Spitze auf den Konus 32 zu und ist am Ende der Stange

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jenseits des Auslasses 17 befestigt, anstelle der Kugel 34; Flüssigkextsabgabeöffnungen 33 sind in der Stange 30 zwischen Auslaß 17 und Konus 70 ausgebildet. In dieser Ausführungsform arbeitet der Konus 70 als Verengung im Durchflußkanal gebildet durch Bohrung 12, obgleich der Konus 70 jenseits des Auslasses 17 sich befindet. Die Vorrichtung erzeugt keinen so tiefen Unterdruck wie die Vorrichtung gemäß Fig. 1 und 5, stellt jedoch eine wirksame Zerstäube- oder Atomisiervorrichtung dar, die in einer großen Anzahl von Anwendungsfällen nützlich ist. Als Alternative kann eine Düse wie etwa in Fig. 1 dargestellt oder ein Ring gemäß Fig. 5 auch in dieser Ausführungsform zusätzlich zum Konus 70 verwendet werden.

Fig. 11 zeigt einen zylindrischen Durchflußkanal mit Auslaß 111 sowie mit einem quer liegenden zylindrischen Einlaß 112. Kanal 110 hat eine Zylinderachse 113, die als Strömungsachse dient. Einlaß besitzt eine Zylinderachse 114, die Achse 113 zweckmäßig rechtwinklig schneidet. Eine Stange 115 erstreckt sich durch den gesamten Kanal 110 bis zu einer Stelle über dem Auslaß 111 hinaus, d. h. bis zum Äußeren des Kanals 110, in Ausrichtung mit der Achse 113. Konische Kegelstümpfe 116 und 117 sind in Ausrichtung zur Achse 113 auch im Ende der Stange 115 außerhalb des Kanals 110 befestigt, wo sie zur Bildung eines Doppelkegels angeordnet sind. Die Basen der Kegel 116, 117 besitzen ebene Kreisflächen. Die Basis, des Kegels 116 weist auf den Auslaß 111 zu und die Basis des Kegels weist vom Auslaß 111 weg.

In dem durch den Kanal 110 strömenden Medium wird durch einen Kegel 118 und eine Düse 119 in der im Zusammenhang mit Fig. 1 bis 10 beschriebenen Weise ein Wirbel gebildet. Kegel 118 und Düse 119 sind gestrichelt dar-

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gestellt und zeigen an, daß andere Arten von Bauteilen zur Ausbildung eines Wirbels im Kanal 110 verwendet v/erden können, einschließlich der anderen Ausführungsformen, die im Zusammenhang mit Fig. 1 bis 10 beschrieben word*³- sind, wobei natürlich auch innere Wirbel hi] 3x ^.e. Elemente insgesamt bei einigen Ausführungsformen weggelassen werden können. Mit Ausnahme des Ersatzes der beiden Kegel 116 und 117 für die Kugel entspricht die Vorrichtung gemäß Fig. 11 derjenigen aus Fig. 1. Falls gewünscht, kann die Stange 115 hohl sein und die zu zerstäubende Flüssigkeit der Düse 119 oder einem anderen gewünschten Punkt längs der Achse 113 in der im Zusammenhang mit Fig. 1 bis 10 beschriebenen Weise zuführen.

Eine nicht dargestellte Gasquelle versorgt Einlaß 112. Das Gas strömt vom Einlaß 112 durch Kanal 110 zum Auslaß 111,und durch den Kegel 118 und die Düse 119 wird ein Wirbel darin gebildet. Die Doppelkegel 116, 117 dienen als Wirbelkörper zur Unterbrechung der am Auslaß 111 vorhandenen wirbeligen Strömung durch den Kanal 110 und zur Bildung einer stehenden Stoßwelle, die die aus der öffnung 111 austretenden Schallwellen reflektiert. In dem Ringraum zwischen den Kegeln 116 und 117 wird ein Unterdruck, d. h. ein Druck unter dem Umgebungsdruck jenseits des Auslasses 111 gebildet. Der Druckabfall zwischen dem Umgebungsdruck und dem Unterdruck im Ringbereich zwischen den Kegeln 116 und 117 erzeugt eine ringförmige Stoßwelle, die die Aktivierung des wirbelnd strömenden Gases erhöht.

Vorzugsweise beträgt der Abstand zwischen den Basen der Kegel 116 und 117 etwa ein Mehrfaches der Hälfte des Durchmessers der Basis 116 und 117; beispielswei-

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se ist das Vielfache das Zwexfache. Die Kegel 116 und 117 sind so nahe wie möglich am Auslaß 111, ohne daß der Gasstrom durch den Kanal 110 abgeschnitten wird, d. h. in der Größenordnung von 0,010 bis 0,020 Zoll. Die Stärke jedes Kegels 116 und 117, d. h. die Abmessung senkrecht zur Oberfläche ihrer Basen, ist kleiner als die Hälfte des Durchmessers ihrer Basen. In diesem Fall ist das Mehrfache das Zweifache. Wie somit in Fig. 11 dargestellt, stehen die Spitzen bzw. die konischen Enden der Kegel 116 und 117 einen kleinen Abstand auseinander.

In einer typischen Ausführungsform, bei der der Kanal 110, der Auslaß 111, der Einlaß 112, der Konus 118 und die Düse 119 die gleichen Dimensionen und Stellungen wie bei Fig. 1 genannt haben, hat der Abstand zwischen dem Auslaß 111 und der Basis des Konus 116 den Wert 0,020 Zoll, der Durchmesser der Kegel 116 und 117 hat den Wert 0,200 Zoll, der konische Halbwinkel der Kegel 116 und 117 beträgt 34,6°, der Abstand zwischen den Basen der Konusse 116 und 117 hat den Wert 0,200 und die Stärke der Konusse 116 und 117 beträgt 0,069 Zoll,

Fig. 12 bis 16 zeigen weitere Ausführungsformen eines Wirbelkörpers außerhalb der Wirbel-erzeugenden Vorrichtung gemäß Fig. 11. In Fig, 12 weist der Wirbelkörper Konusse 130, 131 und 132 auf. Wie die Konusse 116 und 117 in Fig. 11, sind die Konusse 130 und 131 gegeneinander nach Art eines Doppelkegels arrangiert, wobei die Basis des Kegels 130 auf den Auslaß 111 zuweist und die Basis des Kegels 131 vom Ausmaß 111 wegweist. In dieser Ausführungsform dient der Kegel 132 zur Stabilisierung der Gasströmung unter gewissen Betriebsumständen. Vorzugsweise sind die Kegel 130, 131 und 132 alle identisch in Größe und auf die Achse 113 ausgerichtet.

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In Fig. 13 weist der Wirbelkörper Kegel 133, 134, 135 und 136 auf. Wie die Kegel 116 und 117 in Fig. 11, sind die Konusse 133 und 134 mit ihren Spitzen aufeinanderzu angeordnet nach Art eines Doppelkegels, wobei die Basis des Kegels 133 auf den Auslaß 111 zuweist und die Basis des Kegels 134 vom Auslaß 111 wegweist. In ähnlicher Weise sind die Kegel 135 und 136 ebenfalls nach Art eines Doppelkegels zusammengefaßt, wobei die Basis des Kegels 135 auf die Basis des Kegels 134 zuweist. Der Abstand zwischen den Kegeln 133 und 124 und der Abstand zwischen den Kegeln 135 und 136 ist jeweils vorzugsweise etwa gleich einem Mehrfachen der Hälfte ihrer Durchmesser. Die beiden Doppelkegel erhöhen weiter die Aktivierung des Gases durch den Wirbelkörper.

Der Wirbelkörper gemäß Fig. 14 weist anstelle der Kegel 116 und 117 aus Fig. 11 ebene kreisförmige Scheiben 137 und 138 auf, die nebeneinander in Ausrichtung auf die Achse 113 außerhalb des Kanals angeordnet sind. Ein Unterdruck wird in dem Ringraum zwischen den Scheiben 137 und 138 ähnlich wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 11 erzeugt. Der Abstand zwischen den Scheiben 137 und 138 ist ungefähr gleich einem Mehrfachen der Hälfte ihres Durchmessers. Im allgemeinen ist das Mehrfache das Einfache oder Zweifache, d. h. der Abstand zwischen den Scheiben 137 und 138 ist die Hälfte des Durchmessers oder der Gesamtdurchmesser. Die Stärke der Scheiben 137, ist kleiner als die Hälfte ihres·Durchmessers. In einer typischen Ausführungsform hat der Abstand vom Auslaß 111 zur Scheibe 137 den Wert 0,020 Zoll, der Abstand von der abstromseitigen Fläche der Scheibe 137 bis zur aufstromseitigen Fläche der Scheibe 138 den Wert 0,200 Zoll, der Durchmesser der Scheiben 137 und den Wert 0,200 Zoll, und die Stärke jeder der Scheiben 137 und 138 jeweils den Wert 0,032 Zoll.

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In Fig. 15 weist der Wirbelkörper eine Kugel 139 auf, die eine stehende Stoßwelle erzeugt und als Reflektor für das Gas aus dem Auslaß 111 dient. In einer typischen Ausfuhrungsform, bei der die drei Abmessungen der Wirbel-erzeugenden Vorrichtungen die gleichen wie diejenigen aus dem speziellen Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind, hat die Kugel 139 einen Durchmesser von 0,1875 Zoll und der Abstand vom Auslaß 111 bis zur Kugel 139 beträgt 0,100 Zoll.

Bei Fig. 16 weist der Wirbelkörper einen Kegel und eine Kugel 141 auf, die nebeneinander aneinander anliegend angeordnet sind. Der Konus 140 ist näher am Einlaß 112 als an der Kugel 141. Seine Basisfläche weist zum Auslaß 111 und seine Spitze liegt an der Kugel 141 an. In einer typischen Ausführungsform hat der Abstand vom Auslaß 111 zur Basis des Konus 140 den Wert 0,020 Zoll und der Basisdurchmesser des Konus 140 beträgt 0,200 Zoll, die Stärke des Konus 140 ist 0,069 Zoll und der konische Halbwinkel des Kegels 140 hat den Wert 34,6° und der Durchmesser der Kugel 141 beträgt 0,1875 Zoll.

Eine beliebige Anzahl von Konussen oder Kegeln oder Scheiben können auf der Stange ähnlich wie in Fig. 11, 13 und 14 gezeigt befestigt werden. Weiter kann jede andere Art an Wirbel-erzeugenden Vorrichtungen mit den erwähnten externen oder äußeren Wirbelkörpern ausgerüstet werden, obgleich die Vorrichtung gemäß Fig. 1 bis 10 bevorzugt werden. Obgleich die hier beschriebenen speziellen Wirbelkörper sich als besonders vorteilhaft erwiesen haben, können die Wirbelkörper natürlich eine beliebige Farm oder Gestalt annehmen, die eine stehende Stoßwelle auszubilden gestattet und als Reflektor für die Schallwellen in dem aus dem

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Auslaß des Kanals austretenden Medium dienen.

In Fig. 17 besitzt ein zylindrischer Durchflußkanal 210 einen Auslaß 211 und einen quer liegenden zylindrischen Einlaß 212. Kanal 11 · .esitzt eine Zylinderachse 213, die als Achse aes Durchflusses dient. Einlaß 212 hat eine Zylinderachse 214, die die Achse 213 vorzugsweise rechtwinklig schneidet. Eine Stange 215 erstreckt sich ganz durch den Kanal 211 bis zu einer Stelle jenseits des Auslasses 211, d. h. außerhalb des Kanals 210 und befindet sich in Ausrichtung mit der Achse 213. Die konischen Kegel 216 und 217 sind in Ausrichtung mit Achse 213 auf Stange 215 außerhalb des Kanals 210 befestigt, wo sie mit ihren Spitzen aufeinanderzu weisen, d. h. sie sind nach Art eines Doppelkegels angeordnet. Die Basis des Kegels 116 und diejenige des Kegels 217 haben jeweils ebene kreisförmige Flächen. Die Basis des Kegels 216 v/eist zum Auslaß 211 zu und die Basis des Kegels 217 weist vom Auslaß weg. Die Auslässe 216 und 217 bilden zusammen einen äußeren Wirbelkörper. In dem durch den Kanal 210 strömenden Medium wird durch den Kegel 218 und eine Düse 219 in der im Zusammenhang mit den Fig. 1 bis 10 beschriebenen Weise ein Wirbel erzeugt. Kegel 218 und Düse 219 sind gestrichelt angedeutet, was meint, daß auch andere Arten von Bauelementen zur Ausbildung eines Wirbels in dem Kanal 210 verwendet werden können, einschließlich der anderen Ausführungsformen, die oben im Zusammenhang mit den Fig. 1 bis beschrieben v/orden sind, wobei sich natürlich auch versteht, daß die inneren Wirbel-bildenden Elemente sämtlich in einigen Ausführungsformen weggelassen v/erden können. Bis auf den Ersatz der Kegel 216 und 217 für eine Kugel ist der bisher beschriebene Teil der Fig. derjenigen der Fig. 1 gleich. Auf Wunsch kann die Stange 215 hohl sein und eine zu zerstäubende Flüssigkeit der Düse 219 oder einem anderen gewünschten Punkt

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längs der Achse 213 in der im Zusammenhang mit Fig. 1 bis 10 beschriebenen Weise zugeführt werden.

Ein säulenförmiger Resonator ist am Ende der Stange 215 außerhalb des Kanals 210 befestigt. Im einzelnen ist zu sagen, daß der Resonator 230 zylindrisch ist, dessen Achse auf Achse 213 ausgerichtet ist und mit einem offenen Ende 231 auf den Auslaß 211 zuweist und mit einem geschlossenen Ende 232 am Ende der Stange 215 befestigt ist. Die Konusse 216, 217 liegen zwischen Auslaß 211 und Resonator 230. Vorzugsweise liegt das abstromseitige Ende des Wirbelkörpers, d. h. die Basis des Kegels 217, in der gleichen Ebene wie das offene Ende 231 des Resonators 230, jedoch liegt eine Verschiebung des abstromseitigen Endes des Wirbelkörpers aus der Ebene des Endes 231 im Bereich von plus oder minus der halben Breite des Wirbelkörpers, d. h. des Konusbasisdurchmessers, innerhalb der Erfindung, da damit zufriedenstellende Ergebnisse erzielt werden können. Die Länge des Resonators 230, d. h. der Abstand vom offenen Ende 231 bis zum geschlossenen Ende 232 und die Weite des Resonators 230, d. h. der Durchmesser 'des Zylinders, sind Mehrfache eines gemeinsamen Teilers und vorzugsweise einander gleich.

Der Resonator schneidet den vom Wirbelkörper unterbrochenen Gasstrom und resoniert in zwei Dimensionen, wobei das auswärts sich bewegende rotierende Gas mittels der gewählten Weite des Resonators und das sich vorwärts bewegende Gas, d. h. das sich längs der Achse 213 bewegende Gas wird mittels der gewählten Länge des Resonators in Resonanz kommen. Im Gegensatz dazu resoniert der an sich bekannte Helmholtz-Resonator nur aufgrund der gewählten Länge. Die Breite wird nur unter Berücksichtigung des Umstandes gewählt, daß das gesamte zum Resonator fließende Gas aufgenommen und zur Resonanz gebracht werden kann.

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Eine nicht dargestellte Gasquelle versorgt den Einlaß 212. Das Gas strömt vom Einlaß 212 durch Kanal 210 zum Auslaß 211, und ein Wirbel wird durch Kegel 218 und Düse 219 gebildet. Die Kegel 216, 217 dienen als Wirbelkörper zur Unterbrechung der durch den Kanal 210 aus dem Auslaß 211 wirbelnd strömenden Strömung. Der Resonator 230 tritt mit dem Gas in Wechselwirkung und resoniert mit diesen und erzeugt intensive und starke Schallwellen im Hörbereich. Diese Schallwellen haben eine sehr starke Zerstäubungsoder Atomisierfähigkeit. Wenn die Vorrichtung als Zerstäuber oder Atomisierer verwendet wird, wird Flüssigkeit durch die Stange 215 vorzugsweise zu Auslaßlöchern in der Stange 215 an der Düse 219 geleitet.

Statt Kegel 216 und 217 können auch andere Arten äußerer Wirbelkörper einschließlich der im Zusammenhang mit Fig. 11 bis 16 beschriebenen Wirbelkörper zwischen Auslaß 211 und Resonator 230 vorgesehen werden. Ebenfalls wird der Wirbelkörper vorzugsweise auf der Stange 215 befestigt. Wenn ein Uirbelkörper, wie etwa die Kegel 216 und 217, v/eggelassen wird, wird kein hörbarer Schall erzeugt, sondern es erfolgt eine Verstärkung der Atomisierwirkung des wirbelnd strömenden Gases.

Resonator 230 wird vorzugsweise auf den Durchmesser des Wirbelkörpers, d. h. den Durchmesser des Kegels 216 dimensionsmäßig abgestimmt. Die Länge und Breite des Resonators 230 ist etwa gleich einem Mehrfachen des Durchmessers des Wirbelkörpers, z. B. das Dreifache des Durchmessers des Wirbelkörpers.'In einer typischen Ausführungsform der Erfindung, in der der Kanal 210, der Auslaß 211, der Einlaß 212, die Kegel 216, 217 und 218 und die Düse 219 die gleichen Dimensionen und Positionen wie bei der im Zusammenhang mit Fig. 1 und 11 beschriebenen Ausführungsform haben, hat der Abstand der Basis

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ateau-1^? ^v"-

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des Kegels 217 vom offenen Ende 231 den Wert 0,020 Zoll, hat der Innendurchmesser des Resonators 230 den Wert 0,600 Zoll, hat die innere Länge des Resonators 230 den Wert 0,600 Zoll. Schallpegel in der Größenordnung 140 dB wurden typischerweise an einer Stelle gemessen, die 5 Zoll von dem Wirbelkörper entfernt quer zur Achse 213 lagen, wobei die Gasquelle einen Druck von 8 psig hatte.

Fig. 18 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Resonators für die Wirbel-erzeugende Vorrichtung mit externem Wirbelkörper gemäß Fig. 17. Der Wirbelkörper ist bei 235 gestrichelt angedeutet und kann daher durch verschiedene andere Arten von Wirbelkörpern am Auslaß des Kanals ersetzt werden, unter Einschluß der Ausführungsformen, die oben im Zusammenhang mit den Fig. 11 bis 16 beschrieben wurden. Ein Resonator 236, der in teilweise weggeschnittener Seitenansicht dargestellt ist, hat Knieform und kreisförmigen Querschnitt. Ein Ende 237 des Knies ist offen und ein Ende 238 des Knies ist geschlossen. Ende 237 weist auf den Auslaß des Kanals und den Wirbelkörper 235 zu und Ende 238 weist rechtwinklig zum Auslaß des Kanals. Das Ende der Stange 215 ist an der Wandung des Resonators 236 gegenüber dem offenen Ende befestigt. Der Querschnittsdurchmesser des Resonators 236 beträgt etwa die Hälfte der Länge des Resonators

236 vom Ende 237 zu seiner Wandung, an der die Stange 217 befestigt ist; der Querschnittsdurchmesser des Resonators 236 beträgt die Hälfte seiner Länge vom Ende

237 zur gegenüberliegenden Wandung des Resonators 236, d. h. zu der Wandung, an der die Stange 215 befestigt ist, und eine Hälfte der Tiefe des Resonators 23 6, d. h. des Abstandes vom Ende 238 zur gegenüberliegenden Wandung; Ende 237 des Resonators 236 ist vom Wirbelkörper 235 um eine Strecke entfernt, die etwa gleich der Breite des Wirbelkörpers 235 ist, z. B. gleich seinem Durch-

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messer. Und die Breite des Resonators 236, d. h. sein Querschnittsdurchmesser, ist ein Vielfaches, z. B. das Dreifache der Breite des Wirbelkörpers.

Es wurde beobachtet, daß die Jn^^nsität der durch die Vorrichtungen gemäß Fi^. ,· und 18 erzeugten Schallwellen und auch vermutliche Frequenz proportional zur Gasstromrate ist, so daß die Vorrichtung für Meßzwecke eingesetzt werden kann.

Die Einzelteile der Vorrichtung wurden aus Metall, wie etwa Stahl, hergestellt, und der Resonator bestand aus handelsüblichen Kupfer-Armaturen. Natürlich ist die Erfindung auch ausführbar mit entsprechend geformten Kunststoffteilen.

Obgleich ein Resonator mit kreisförmigem Querschnitt vorgezogen wird, kann der Querschnitt des Resonators unterschiedliche Formen haben, also etwa rechtwinklig, quadratisch, länglich u. dgl. sein.

Die Erfindung ist selbstverständlich auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen nicht beschränkt, vielmehr sind zahlreiche Abwandlungen und verschiedene andere Gestaltungen ohne weiteres im Rahmen der Erfindung. Obgleich beispielsweise der Kinlaß 23 quer zur Strömungs achse liegend bevorzugt wird, kann der Einlaß 23 auch, wie bei üblichen Düsen, mit der Achse ausgerichtet sein; obgleich es ferner vorgezogen wird, den Wirbel zum Teil mit einem Kegel zu erzeugen, kann der Kegel auch v/eggelassen werden und der Stange die Erfüllung seiner Funktion überlassen. Die Kuyel jenseits des Auslasses des Wandlers kann in vielen Fällen ohne nachteilige Konsequenzen für die Gasquelie und die Verengung weggelassen v/erden. Obgleich es vorgezogen wird, Flüssigkeit dem zylindrischen Abschnitt 15 zuzuführen, kann die Flüssigkeit auch an anderen Stellen zerstäubt werden, ζ „ B. beim Auslaß 17; wenn der Wandler nicht zum

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Zerstäuben oder Atomisieren verwendet wird, kann die Quelle 31 insgesamt weggelassen werden. Weiter sind für die Verengung natürlich auch andere als die dargestellten Formen ohne weiteres möglich, beispielsweise konvergierende/divergierende Abschnitte , konvergierende/zylindrische/divergierende Abschnitte, oder ein divergierender Abschnitt alleine. In einigen Anwendungsfällen kann der Umgebungsdriick des Bereichs, in den der Auslaß des Wandlers sich öffnet, Unterdruck sein, d. h. wie im Einlaßkanal eine Verbrennungskraftmaschine. In solchem Fall kann die Quelle 24 atmosphärischen Druck besitzen, d. h. die Quelle 24 kann die umgebende Atmosphäre sein. Andererseits kann der Umgebungsdruck in dem Bereich, in welchem der Auslaß der Vorrichtung sich öffnet, überdruck sein, und in solchen Fällen erscheinen am Auslaß der Vorrichtung sehr gute Wirbel, die möglicherweise besser sind, als wenn der Umgebungsdruck gleich dem atmosphärischen Druck ist. Die Erfindung kann ferner dazu verwendet werden, Flüssigkeiten zu aktivieren, d. h. die Quelle 24 kann eine Flüssigkeitsquelle statt einer Gasquelle sein. Es versteht sich ferner, daß die Erfindung auf die für die einzelnen Ausführungsformen derselben mitgeteilten Dimensionen und einzelnen Abmessungen nicht beschränkt ist.

Insgesamt wurde ein Durchflußkanal mit einer Einschnürung beschrieben, der zwischen einem Mediumeinlaß und einem Mediumauslaß angeordnet ist. Ein innerer Wirbelkörper , etwa in der Form eines Konus oder einer Scheibe, ist im Durchflußkanal zwischen Einlaß und Verengung angeordnet. Der Einlaß liegt quer zur Achse des Durchflußkanals. Der innere Wirbelkörper ist auf einer Stange befestigt, die sich durch den Durchflußkanal erstreckt. Die Stange kann hohl sein und Löcher in der

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Nähe der Einschnürung zur Abgabe von Flüssigkeit haben. Wenn das Medium in den Einlaß einläuft und an der Stange und dem Wirbelkörper zur Einschnürung strömt, wird ein Wirbel erzeugt. Ein Wirbelkörper ist am Auslaß außerhalb des Kanals angeordnet und unterbricht das wirbelnd strömende Medium. Ein Resonator ist am Auslaß außerhalb des Kanals angeordnet und steht mit dem wirbelnd durch den Kanal strömenden Medium in Wechselwirkung. Der äußere Wirbelkörper liegt zwischen dem Auslaß des Kanals und dem Resonator und unterbricht die Mediumströmung durch den Kanal.

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Claims

Nathaniel Hughes, 1934 Sonora Road, Palm Springs, California 92262 (V. St. A.)

Vorrichtung zur Erzeugung stabiler Luftwirbel

Ansprüche

(λ) Wirbel-erzeugende Vorrichtung, bestehend aus einem Mediumeinlaß (23), einem Mediumauslaß (17) und einem Durchflußkanal (12) zwischen Mediumeinlaß und Mediumauslaß,

dadurch gekennzeichnet, daß in dem Durchflußkanal (12) eine Verengung (13) ausgebildet ist und daß ein Wirbelkörper (32) in dem Durchflußkanal auf der Aufstromseite der Verengung (13) angeordnet ist, welcher zur Unterbrechung eines MediumsStroms eine in Aufstromrichtung weisende ebene Flüche aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbelkörper ein Konus (32) ist, dessen Basis zur Aufstromseite weist und dessen Spitze zur Abstromseite weist.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (23) so positioniert ist, daß die Basis und nur ein Teil des Konus im Einlaß freiliegen.

4. Vorrichtung nach Anspruon 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbelkörper eine kreisförmige Scheibe (50) ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe einen zylindrischen Mantel hat.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die kreisförmige Scheibe (50) eine abgeschrägte Kante besitzt, wobei der Durchmesser der aufstromseitigen Fläche der Scheibe größer ist als der Durchmesser der abstromseitigen Fläche.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußkanal eine vorgegebene Querschnittsfläche hat und daß die Einschnürung (13) einen zylindrischen Abschnitt (15) mit kleinerer als vorgegebenen Querschnittsfläche und einen divergierenden Abschnitt (16) aufweist, der den zylindrischen Abschnitt mit dem Auslaß (17) verbindet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußkanal eine vorgegebene Querschnittsfläche hat und daß die Einschnürung von einem dünnen ebenen Ring (51) mit kreisförmiger öffnung (52) gebildet ist, deren Querschnittsfläche kleiner als die vorgegebene Querschnittsfläche ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Scheibe und dem Ring gleich dem Durchmesser oder gleich dem halben Durchmesser der Scheibe ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke des Ringes wenigstens gleich dem halben Durchmesser der Scheibe ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Durchflußkanal eine Stange (30) axial ausgerichtet angeordnet ist, auf der der Wirbelkörper befestigt ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Stange hohl ist und in der Nähe der Einschnürung eine oder mehrere Öffnungen (33) aufweist; daß eine Quelle einer zu zerstäubenden Flüssigkeit zur Flüssigkeitszufuhr mit der Stange verbunden ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der Stange weniger als 50 % der minimalen Querschnittsfläche der Einschnürung ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß. die Querschnittsfläche der Stange zwischen etwa 10 bis 20 % der minimalen Querschnittsfläche der Einschnürung ausmacht.

15. Vorrichtung nach Anspruch 11/ dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende der Stange sich durch den Durchflußkanal über den Auslaß (17) hinaus erstreckt und einen Konus (70) jenseits des Auslasses trägt, dessen Spitze zur Aufstromseite und dessen Basis zur Abstromseite weisen.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Wirbelkörper und der Oberfläche des Durchflußkanals kleiner ist als 30 % des Abstandes über die ebene Fläche des Körpers.

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17. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des Abstandes zwischen der Fläche des Durchflußkanals und dem Wirbelkörper wenigstens 10 % größer ist als die minimale Querschnittsfläche der Einschnürung.

18. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des Abstandes zwischen dem Wirbelkörper und der Oberfläche des Durchflußkanals etwa 20 % größer ist als die minimale Querschnittsfläche der Einschnürung.

19. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gasquelle (24) mit dem Mediumeinlaß (23) gekoppelt ist, wobei die Druckdifferenz zwischen der Quelle und dem flediumauslaß (17) derart ist, daß das Gas aus der Quelle durch den Durchflußkanal vom Einlaß zum Auslaß strömt und beim Umströmen des Wirbelkörpers Wirbel bildet.

20. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußkanal, der Wirbelkörper, die Einschnürung und der Auslaß auf eine gemeinsame Durchflußachse ausgerichtet sind, und daß der Einlaß (23) quer zur gemeinsamen Durchflußachse ausgerichtet ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbelkörper eine zum Auslaß (17) v/eisende ebene Oberfläche besitzt.

22. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbelkörper ein äußerer Konus ist, dessen ebene Fläche zum Auslaß weist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Wirbelkörper zwei zu einem Doppelkegel angeordnete Konusse (116, 117) aufweist, wobei

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die Basis des ersten Kegels (116) zum Auslaß (111) und die Basis des zweiten Kegels weg vom Auslaß (111) weisen.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Basis des einen Konus (116) und der Basis des anderen Konus (117) etwa gleich dem Durchmesser des Konus ist.

25. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der Konusse kleiner als die Hälfte ihrer Durchmesser ist.

26. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Wirbelkörper zwei zu einem Doppelkegel angeordnete Konusse autelst, wobei der erste Konus mit seiner Basis gegen den Auslaß (111) und der zweite Konus mit seiner Basis weg von dem Auslaß weist, und daß ein dritter Konus (132) mit seiner Basis zur Basis des zweiten Konus (131) zugewandt vorgesehen ist.

27. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Wirbelkörper vier Konusse aufweist, wobei die ersten beiden Konusse nach Art eines Doppelkegels und der dritte und vierte Konus ebenfalls nach Art eines Doppelkegels angeordnet sind und die Basis des zweiten Konus zur Basis des dritten Konus weist.

28. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Wirbelkörper zwei ebene Kreisscheiben (137, 138) aufweist, die nebeneinander angeordnet sind.

29. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Scheiben etwa

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gleich den; Durchmesser oder gleich der Hälfte des Durchmessers der Scheiben ist.

JO. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der Γ ' ^iben kleiner als die Hälfte ihres Durchmas? --■ ist.

31. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Wirbelkörper eine Kugel
(139) ist.

32„ Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Kirbeikörper aus einem
Konus (14 0) und einer Kugel (141) besteht, wobei
die Basis des Konus zum Auslaß (111) weist und die Spitze des Konus an der Kugel anliegt.

33. Vorrichtung nach Ansprach 20, dadurch gekennzeichnet, äaiß eine Stange (30) sich über die volle Länge des Durchflußkanals (12) erstreckt und außerhalb des Kanals endet, wobei der Wirbelkörper vom Ende der Stange getragen wird.

34. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Resonator am Auslaß außerhalb des Kanals angeordnet ist.

35. Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Auslaß (211) und dem Resonator (230) ein Wirbelkörper (216, 217) angeordnet

36. Vorrichtung nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium wirbelnd längs einer Strömungsachse durch den Durchflußkanal (210) strömt;

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dnß der Resonator (230) säulenartig ist und mit seiner Längsachse auf die Strömunqsachse ausgerichtet ist und mit seinem offenen Ende (231) auf den Auslaß (211) und mit seinem geschlossenen Ende (232) weg vom Auslaß (211) weist; daß der Wirbelkörper mit einem Ende zum Auslaß und mit einem anderen Ende weg vom Auslaß weist, wobei das weg vom Auslaß weisende Ende des Wirbelkörpers (217) in der gleichen Ebene wie das offene Ende des Resonators (230) liegt.

37. Vorrichtung nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator eine Länge hat, die parallel zu seiner Längsachse ist und eine Breite hat, die senkrecht zur Längsachse sich erstreckt, wobei Länge und Breite ungefähre Mehrfache der Breite des Wirbelkörpers sind.

38. Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium längs einer Strömungsachse durch den Durchflußkanal strömt, und daß der Resonator säulenartig ist und mit seiner Längsachse mit der Durchflußachse ausgerichtet ist, mit seinem offenen Ende auf den Auslaß zuweist und mit: seinem geschlossenen Ende vom Auslaß wegweist.

39. Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß Länge und Breite des Resonators im wesentlichen gleich sind.

40. Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium längs einer Strömungsachse durch den Durchflußkanal strömt, daß der Resonator (230, 236) zylindrisch ist und mit seiner Zylinderachse auf die Strömungsachse ausgerichtet ist, wobei ferner sein offenes Ende auf den Auslaß (211) zuweist und das geschlossene Ende vom Auslaß weg-Wl.-ist.

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41. Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium längs einer Strömungsachse durch den Durchflußkanal strömt, und daß der Resonator knieförmig ausgebildet ist, dessen Mittelachse an einem Ende auf der Strömungsachse ausgerichtet ist, einen kreisförmigen Querschnitt besitzt, mit seinem offenen Ende auf den Auslaß zuweist und mit seinem geschlossenen Ende (238) unter rechtem Winkel vom Auslaß wegweist, und wobei sich die Wandung des Resonators vom offenen Ende zum geschlossenen Ende erstreckt.

42. Vorrichtung nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Resonators vom offenen Ende bis zu der dem offenen Ende gegenüberliegenden Wandung und die Länge des Resonators von dem geschlossenen Ende zu der dem geschlossenen Ende der gegenüberliegenden Wandung das Mehrfache des Durchmessers des kreisförmigen Querschnitts des Resonators sind.

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