Zerstäubungsvorrichtung für Flüssigkeiten, Verfahren zu deren Herstellung und deren Verwendung

Die Erfindung betrifft eine Zerstäubungsvorrichtung für Flüssigkeiten nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Weiterhin umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Zerstäubungsvorrichtung für Flüssigkeiten, insbesondere zur Abgabe von Wasser in einer Dusche, sowie deren Verwendung.

Aus der WO 2004/101163 A1 ist eine gattungsgemäße Zerstäubungsvorrichtung für Flüssigkeiten als Wascheinrichtung bekannt. Darin ist ein Duschkopf beschrieben, in welchem Wasserdüsen paarweise angeordnet sind, so dass die Strahlen aus zwei Düsen eines Paares aufeinander prallen und sich dadurch in Tröpfchen auflösen. Zweck der Vorrich- tung ist, ein angenehmes Duscherlebnis bei unterschiedlichen Betriebsdrücken zwischen 2,0 bar und 25 bar zu ermöglichen und auch den Wasserverbrauch gegenüber herkömmlichen Duschköpfen zu verkleinern. Dabei soll aber verhindert werden, dass nebst den Wassertöpfchen auch ein Nebel aus sehr feinen Tröpfchen entsteht. Dazu werden vorzugsweise die aufeinanderprallenden Strahlen so angeordnet, dass sie einander nicht voll- ständig überschneiden.

Die bekannte Wascheinrichtung weist einen Auslass zum Versprühen von Flüssigkeiten mit niedriger Durchflussrate sowie eine Fördervorrichtung zur Erhöhung eines Flüssigkeitsdrucks vor dem Versprühen auf. Die versprühte Flüssigkeit ist meistens Wasser. Dem Wasser kann jedoch Seife oder ein anderes Reinigungs- oder Desinfektionsmittel beigemischt werden. Das Gemisch kann aus allen Düsen kommen. Es ist auch möglich, die Düsen jeweils mit verschiedenen Flüssigkeiten zu versorgen, zum Beispiel eine Düse mit Wasser und die andere mit Seife, oder eine mit Wasser und eine mit Desinfektionsmittel. Die Wascheinrichtung kann neben dem Sanitärbereich auch im therapeutischen, Kosme- tik- sowie Pharma-Bereich Anwendung finden, beispielsweise mit zugemischten kosmetischen oder medizinischen Wirkstoffen.

Durch die Druckerhöhung wird es möglich, die Flüssigkeit trotz kleiner Durchflussrate so zu versprühen, dass ein angenehmes Wasch- oder Duscherlebnis entsteht. Denn durch das Versprühen mit erhöhtem Druck und entsprechend durch enge Düsen wird die Partikelgröße der Wassertropfen gegenüber herkömmlichen Duschen wesentlich verkleinert. Dadurch ist die gesamte Oberfläche der Wassertröpfchen wesentlich größer als bei derselben Wassermenge bei größeren Tropfen, und entsprechend ist auch die Wirkung beim Benetzen des Körpers erhöht.

Die Fördervorrichtung oder Pumpe ist also als Teil der Wascheinrichtung vorzugsweise lokal, in der Nähe des Auslasses respektive eines Duschkopfes angeordnet, also in einem Badezimmer oder als Einbauelement einer mobilen oder stationären Duschkabine. Durch den geringen Wasserverbrauch ist die Wascheinrichtung besonders für den Einbau in Transportmitteln wie Zügen, Flugzeugen, Wohnmobilen, oder anderen mobilen Einrichtun- gen geeignet. Andere Anwendungen sind beispielsweise in Duschen oder Waschanlagen in öffentlichen Badeanstalten, in Geschirrspülmaschinen oder zur Bewässerung von Pflanzen.

Zusätzlich weist die Wascheinrichtung eine Heizvorrichtung zum Aufheizen des Wassers, bzw. der Flüssigkeit auf. Dank der geringen Durchflussrate kann diese Heizung vergleichsweise klein ausgelegt werden. Insbesondere kann sie als Durchlauferhitzer ausgebildet werden, also ohne Speicher wie bei einer Boilerheizung. Die Heizung kann insbesondere elektrisch betrieben werden. Ansonsten erfolgt die Versorgung mit Warmwasser aus einem zentralen, beheizbaren Warmwasserspeicher oder allgemein mit gespeichertem Warmwasser. Wegen der geringen benötigten Heizleistung kann eine elektrische Heizung mit bestehenden elektrischen Hausinstallationen betrieben werden. Dadurch kann die Heizung dezentral angeordnet werden, d. h. dass jede Dusche respektive Wascheinrichtung ihre eigene Heizung aufweist.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Wascheinrichtung zur Abgabe von Wasser, insbesondere in einer Dusche, zu optimieren und eine kostengünstige Ausführung eines Duschkopfes zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird dies mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhaf- te Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Zerstäubungsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Zerstäubervorsatz vorgesehen ist, welcher aus mindestens einer konvex in Strahlrichtung gewölbten Zerstäuberplatte besteht und in den Auslass eingesetzt ist. In die Zerstäuberplatte sind mindestens ein Schlitz oder mehrere, richtungsparallel zueinander angeordnete Schlitze eingebracht. Die konvex in Strahlrichtung gewölbte Zerstäuberplatte ist schalenförmig und/oder rinnen- förmig gebogen. Speziell bei einer konvex in Strahlrichtung gewölbten Zerstäuberplatte sind die Schlitze quer und/oder schräg verschränkt zur Rinnenachse verlaufend ausgebildet. In einer weiteren Ausführungsform können die Schlitze äquidistant oder mit unter- schiedlichem Abstand zueinander auf einer konvex in Strahlrichtung gewölbten Zerstäuberplatte verteilt sein. Dabei divergieren die in Strömungsrichtung zeigenden Symmetrieachsen von mehreren Schlitzen in Strahlrichtung voneinander weg.

Die Schlitze durchqueren die Dicke der Zerstäuberplatte entweder in Richtung der lokalen Oberflächennormalen oder auch schräg geneigt dazu. Die Länge der Schlitze ist vorgebbar und kann innerhalb eines Zerstäubervorsatzes und/oder einer Zerstäuberplatte gleich oder unterschiedlich gestaltet sein. Weiterhin können die Schlitze in Schlitzlängsrichtung zueinander gleich, mit einer geraden Schlitzreihe, oder versetzt angeordnet sein.

In einer weiteren Ausführungsform ist die konvex in Strahlrichtung gewölbte Zerstäuberplatte entlang der Schlitzreihe entweder nicht gekrümmt oder sie hat eine konvexe Krümmung in Strahlrichtung, deren Krümmungsradius größer ist als der Krümmungsradius quer über die rinnenförmig gebogene Zerstäuberplatte.

Wahlweise ist der Krümmungsradius quer über die konvex in Strahlrichtung gewölbte Zerstäuberplatte über die Länge der Schlitzreihe konstant, oder es ist ein variierender Krümmungsradius über die Länge der Schlitzreihe vorgesehen. Vorzugsweise ist eine konvex in Strahlrichtung gewölbte Zerstäuberplatte rotationssymmetrisch ausgewölbt oder deren Wölbung entspricht dem Schalenausschnitt eines Ellipsoides.

Eine rinnenförmige Zerstäuberplatte bildet eine gerade Rinne mit einer Richtungsdivergenz zwischen den Schlitzachsen. Dabei durchdringen die Schlitze die gerade Rinne abweichend von der Senkrechten zur Oberfläche an einem Ort. Als alternative Ausführungsform dazu kann eine rinnenförmige Zerstäuberplatte auch eine entlang ihrer Länge in Strahlrich- tung gesehen konvex ausgewölbte Rinne bilden. In diesem Fall ist der Krümmungsradius der konvexen Auswölbung entlang der Länge der Rinne größer als der Wölbungsradius quer über die Rinne und die Schlitze verlaufen dann immer in Richtung der Wölbung mit dem kleineren Wölbungsradius. In einer weiteren Ausführungsform wird ein Rohrstück mit einem nach außen gebogenen Oberflächenbereich verwendet, wobei dieser formgleich zu einer Rinnenform und mit den Schlitzen versehen ist.

Die Breite der Schlitze kann sich in Strahlrichtung erweitern oder verjüngen. Genauso können die Größe des freien Schlitzquerschnittes und die Form des Schlitzquerschnittes in Strahlrichtung variieren oder konstant bleiben. Vorzugsweise besitzt der Schlitzquerschnitt ein längliches Format mit einer beliebigen Querschnittsform, insbesondere mit einem rechteckigen, linsenförmigen oder ovalen Querschnitt.

Eine ergänzende Ausführungsform, insbesondere für Duschanwendungen, sieht vor, dass der Zerstäuberplatte eine weitere Auffangplatte in Strahlrichtung vorgelagert ist und dass zwischen der Zerstäuberplatte und der zusätzlichen Auffangplatte ein Abstand vorgesehen ist, so dass ein Hohlraum ausgebildet wird. In dieser Auffangplatte ist jeweils mindestens eine einem Schlitz in der Zerstäuberplatte zugeordneten Aussparung für den Durchtritt der fächerförmigen Flüssigkeitsstrahlen eingebracht. Dabei sind die Außenabmessungen der Aussparung so gewählt, dass die seitlichen Strahlränder eines jeden Fächerstrahls von der Auffangplatte am Durchtritt gehindert werden und die Flüssigkeitsmenge aus den Strahlrändern an der stromaufwärtigen Seite der Auffangplatte aufgefangen wird. Das Auffangen der Strahlränder dient dazu, diese aus dem Flüssigkeitsstrahl auszublenden, da die Strahlränder aufgrund ihrer Verdickung gegenüber der geringeren Fächerstrahllamellendicke einen hohen Strahlimpuls haben, der ansonsten bei einer Dusche beim Auftreffen auf der Haut unangenehmen Druck auswirkt.

Die Auffangplatte weist eine gleiche oder ähnliche konvexe Form wie die Zerstäuberplatte auf oder ist eben ausgeführt. Vorteilhafterweise ist die Auffangplatte von der Zerstäuberplatte mindestens so weit entfernt angeordnet, dass einzelne Fächerstrahllamellen bereits vor Erreichen der Auffangplatte in kleinere Ligamente zerfallen sind. Ansonsten würden auf der freien Seite der Auffangplatte über Oberflächenspannungswirkung erneut verdickte Strahlränder in einer noch existenten Lamelle gebildet werden.

In einer besonderen Ausführungsform wird die aufgefangene Flüssigkeitsmenge aus dem Strahlrand von der Auffangplatte abgesaugt und der Zerstäubungsvorrichtung erneut zugeführt. Dabei ist für das Absaugen eine vorgeschaltete Drucksteigerungspumpe oder eine nach dem Injektor-Prinzip arbeitende Pumpe, wie beispielsweise eine Wasserstrahlpumpe in einem Duschkopf, vorgesehen. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Zerstäubungsvorrichtung für Flüssigkeiten, insbesondere zur Abgabe von Wasser in einer Dusche, mit einem Auslass an einer Flüssigkeitszufuhrleitung zum Versprühen von Flüssigkeiten mit niedriger Durchflussrate, wobei der Auslass mindestens zwei Düsen zur Erzeugung von Flüssigkeitsstrahlen und zur Zerstäubung aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass in eine aus mindestens einer konvex in Strahlrichtung gewölbten Zerstäuberplatte eines Zerstäubervorsatzes mindestens ein Schlitz durch ein scheibenförmiges Werkzeug eingefräst oder eingeschliffen wird und dass das Werkzeug zum Einbringen des Schlitzes eine rotationssymmetrische, sich drehende Scheibe ist.

Verwendung finden kann die erfindungsgemäße Zerstäubungsvorrichtung für Flüssigkeiten im Bereich von Spüleinrichtungen für Haushalts- und Gewerbeanwendungen, Feuerbekämpfung, Hochdruckreinigungseinrichtungen, Feuerungs- und Brennertechnik sowie Bewässerungseinrichtungen.

Vorteilhafte Eigenschaften sind: bestmögliche Zerstäubungsgüte für Duschkomfort, wobei die erzielbare Tropfengröße gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Konzepten bei Bedarf ohne weitere Druckerhöhung um bis ein Drittel reduziert werden kann, gleichmäßige Verteilung oder gezielte Variation der versprühten Flüssigkeitsmenge über eine vorgegebene Fläche, begrenzungsgenaue Besprühung innerhalb eines vorgegebenen Sprayquerschnitts, hoher Auftreffimpuls der Flüssigkeitsstrahlen für beste Reinigungswirkung, Wasserersparnis infolge feinster Zerstäubung und beste Reinigungswirkung durch hohen Auftreffimpuls.

Bezogen auf den Anwendungsbereich Wellness steht eine Wasser sparende, effizient reinigende Duschbrause durch effiziente, gleichmäßige, fein zerstäubte Sprayverteilung bei hohem Auftreffimpuls zur Verfügung. In der Wassertechnik lässt sich zum Beispiel ein Sprüharm von Geschirrspülern ausbilden, so dass sich eine Wasserersparnis durch effiziente, gleichmäßige, fein zerstäubte und impulsreiche Verteilung auf zu reinigendes Ge- schirr ergibt. Bei der Feuerbekämpfung liegt der wesentliche Effekt im effizienten Ersticken von Flammen durch Ausbildung von Flüssigkeitsvorhängen bei Abdeckung großer Flächen. Hochdruckreinigungseinrichtungen mit erfindungsgemäßem Aufbau reinigen effizient und Wasser sparend durch gleichmäßige, fein zerstäubte und impulsreiche Verteilung des Sprühstrahls. Bewässerungseinrichtungen arbeiten Wasser sparend und können gezielt auf räumlich abgegrenzten Flächen eingesetzt werden. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Verwendung der Zerstäubungsvorrichtung als Fontänenaufsatz für Garten- und Zim- merspringbrunnen. Das Sprühbild ist eine ästhetische Erscheinung, bei Zimmerspringbrunnen ist die Raumluftbefeuchtung durch die homogene Verteilung eines fein zerstäubten Sprays sehr effizient. Weiterhin ist eine Übertragung der erfindungsgemäßen Markmale auf die Feuerungs- und Brennertechnik denkbar. Dabei lassen sich Energie sparende Ölbrennerdüsen ausbilden, welche für eine gezielte, fein zerstäubte und stöchiometrische Verteilung des flüssigen Brennstoffes sorgen.

Erfindungsgemäß wird somit eine Wascheinrichtung zur Abgabe von Wasser im Sanitärbereich, insbesondere in einer Dusche, optimiert und die vorliegende Erfindung stellt eine kostengünstige Ausführung eines Duschkopfes dar. Die diversen Anforderungen an das zu erzeugende Spray sind aufgrund des erfindungsgemäßen Designs, insbesondere durch dessen hohe geometrische Freiheitsgrade, individuell und auf Basis niedriger Kosten darstellbar. Aufgrund den zuvor beschriebenen Sprayeigenschaften ist die Erfindung als kostengünstig herstellbares Konzept für Duschköpfe und andere Anwendungen vorteilhaft anwendbar.

Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Es zeigt schematisch eine Zerstäubungsvorrichtung:

Fig. 1 : bei der Bearbeitung einer rinnenförmig gebogenen Zerstäuberplatte mit mehreren Schlitzen in einem Ausschnitt,

Fig. 2: bei der Bearbeitung einer schalenförmigen Zerstäuberplatte mit dem Strömungsbild an einem Schlitz in einem Ausschnitt,

Fig. 3: mit dem Strömungsbild an einem Schlitz in einem Ausschnitt der Zerstäuberplatte und

Fig. 4: mit dem Strömungsbild an einem Schlitz in einem Ausschnitt der Zerstäuberplatte sowie einer weiteren, in Strahlrichtung vorgelagerten Auffangplatte.

Die Zerstäubungsvorrichtung besteht im Wesentlichen aus einem Zerstäubervorsatz, wel- eher aus mindestens einer konvex in Strahlrichtung gewölbten Zerstäuberplatte 1 besteht und in den Auslass eingesetzt ist. Dabei sind in die Zerstäuberplatte 1 mindestens ein Schlitz 2 oder mehrere, richtungsparallel zueinander angeordnete Schlitze 2 eingebracht.

Die konvex in Strahlrichtung gewölbte Zerstäuberplatte 1 ist rinnenförmig gemäß Fig. 1 oder schalenförmig gemäß Fig. 2 gebogen. Mit einem scheibenförmigen Werkzeug 3 wird ein Schlitz 2 in eine gewölbte Zerstäuberplatte 1 eingefräst oder eingeschliffen. Dadurch erhält der Schlitzquerschnitt ein längliches Format mit einer beliebigen Querschnittsform. Im Ausführungsbeispiel wird mit dem dargestellten Werkzeug 3 ein linsenförmiger Querschnitt erreicht, welcher sich zudem in Durch- Strömrichtung allmählich verjüngt. Das entsprechende Strömungsbild an einer Zerstäuberplatte 1 zeigt Fig. 3.

Gemäß Fig. 4 ist der Zerstäuberplatte 1 eine weitere Auffangplatte 4 in Strahlrichtung vorgelagert. Zwischen der Zerstäuberplatte 1 und der zusätzlichen Auffangplatte 4 ist ein Ab- stand vorgesehen, so dass ein Hohlraum 5 ausgebildet wird. Die zusätzliche Auffangplatte 4 besitzt jeweils mindestens eine einem Schlitz 2 in der der Zerstäuberplatte 1 zugeordnete Aussparung 6 für den Durchtritt der fächerförmigen Flüssigkeitsstrahlen, wobei die Außenabmessungen der Aussparung 6 so gewählt sind, dass die seitlichen Strahlränder eines jeden Fächerstrahls von der Auffangplatte 4 am Durchtritt gehindert werden und die Flüssigkeitsmenge aus den Strahlrändern an der stromaufwärtigen Seite der Auffangplatte 4, also im Hohlraum 5, aufgefangen wird.

Diese aufgefangene Flüssigkeitsmenge wird aus dem Strahlrand von der Auffangplatte abgesaugt und der Zerstäubungsvorrichtung erneut zugeführt. Dabei ist eine nach dem Injektor-Prinzip arbeitende Pumpe 7, die der Zerstäubungsvorrichtung 1 vorgeschaltet ist, für das Absaugen vorgesehen.

Pro Schlitz 2 tritt ein Fächerstrahl bzw. eine Flüssigkeitslamelle aus. Die Aufspreizung des Fächerstrahls wird durch die sich in Strömungsrichtung verjüngende Breite des Schlitzes 2 erreicht, wodurch an den beiden sich gegenüberliegenden Längsseiten des Schlitzes 2 aufeinander zulaufende Strömungsvektoren quer zur Länge des Schlitzes erzeugt werden, welche in der Schlitzaustrittsebene aufeinanderprallen. Als Reaktion dieses Aufpralls ergibt sich abströmseitig des Schlitzes 2 eine divergente Strömung, wodurch ein Fächerstrahl aufgespreizt wird. Dies entspricht dem Strömungsbild gemäß Fig 3. Das Aufspreizen wird weiterhin dadurch unterstützt, dass die Zerstäuberplatte 1 entlang der Länge eines Schlitzes 2 konvex in Strahlrichtung gewölbt ist.

Bei mehr als einem Schlitz 2 spritzen diese richtungsdivergent zueinander ab, wodurch die Fächerstrahlen trotz der Lamellenschwingungen räumlich voneinander getrennt bleiben und deshalb das gesamte Lamellenpaket gut zerstäubt wird. Durch das Zerstäubungsprinzip „LamellenzerfaH" und die Aufteilung des zu zerstäubenden Fluidstromes auf viele zer- stäubende Öffnungen wird ein gutes Zerstäubungsergebnis erreicht. Bei ausreichend großer Richtungsdivergenz und Berührungsfreiheit zwischen den benachbarten Lamellen, vorzugsweise etwa größer als 4 Grad, wird im Lamellenpaket, also dem Gesamtstrahl, die ideale Zerstäubungsgüte einer einzelnen Lamelle erreicht. Damit kann die mittlere Trop- fengröße um bis zu einem Drittel gegenüber anderen Zerstäubungsprinzipien, bzw. -konzepten reduziert werden. Werden größere Tropfen gewünscht, sind diese durch weniger Richtungsdivergenz zwischen den Lamellen gezielt über den sich ergebenden Lamellenabstand in weiten Grenzen einstellbar.

Die Zerstäubungsgüte ist zudem über die der einzelnen Lamellen einstellbar. Eine geringere Weite eines Schlitzes 2 und ein kleinerer Krümmungsradius entlang der Länge eines Schlitzes 2 führen zu kleineren Tropfen in der Lamelle. Durch beliebige Anordnung und Verteilung der Schlitze 2 auf der Zerstäuberplatte 1 kann die abgesprühte Menge im Lamellenpaket beliebig verteilt werden. Beliebig große oder voneinander getrennte Flächen sind somit entweder mit homogener oder gezielt inhomogener Spraymengenverteilung besprühbar. Auch der Auffächerungswinkel jedes Fächerstrahls ist durch die Bogenlänge eines Schlitzes 2 gezielt einstellbar. Damit kann das Sprühbild auf beliebig konturierte, kleine oder große zu besprühende Flächen ohne hohe Randverluste begrenzt werden. Dazu zählt auch zum Beispiel bei Duschanwendungen das Ziel, möglichst wenig Wasser in den Bereich nahe der oder an die Duschkabinenwand zu versprühen.

Fächerstrahlen haben als flache, ebene Gebilde ein hohes Eindringungsvermögen. Sie werden wenig von der Atmosphäre abgebremst, in die sie eindringen. So ist bei gegebenem Spritzabstand der Strahlimpuls maximal erhalten. Die Impulsdichte ist für reinigungs- technische Anwendungen zudem wegen der flachen Gestalt des Fächerstrahls maximal hoch.