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Die
Erfindung betrifft eine Hochdruckdüse zum Entzundern von Stahlerzeugnissen
mit einem Strahlrichter innerhalb eines Zuführkanals zu einer Austrittsöffnung,
wobei stromabwärts
des Strahlrichters eine Verjüngung
des Zuführkanals
vorgesehen ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen
einer erfindungsgemäßen Hochdruckdüse
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Aus
der europäischen
Patentschrift
EP 0
792 692 B1 und auch aus der
US-Patentschrift
4,848,672 , ist eine Hochdruckdüse zum Entzundern von Stahlerzeugnissen
bekannt, die innerhalb eines Zuführkanals
zu einer Austrittsöffnung
einen Strahlrichter aufweist. Der Strahlrichter ist als im Querschnitt
sternartiges Bauteil aufgebaut und weist ein zylindrisches Mittelteil
auf, von dem aus sich radial Strömungsleitflächen erstrecken.
Um den Strömungswiderstand des
Strahlrichters zu verringern, ist das zylindrische Mittelteil sowohl
in Stromaufwärtsrichtung
als auch in Stromabwärtsrichtung
jeweils in Form einer kegeligen Spitze verlängert.
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Stromaufwärts des
Strahlrichters ist ein Filter angeordnet, der aus einem Rohrabschnitt
mit kugelkappenförmigem
Abschluss gebildet ist und mit radialen Einschnitten für den Eintritt
von Flüssigkeit
versehen ist. Die radialen Einschnitte erstrecken sich bis in die
kugelabschnittsförmige
Kappe des Filters. Stromabwärts
des Strahlrichters ist eine allmähliche Verjüngung des
Strömungskanals
vorgesehen, die sich mit abnehmenden Verjüngungswinkel bis zu einer Austrittskammer
in einem Mundstück
erstreckt. Das Mundstück
weist die Austrittskammer und die sich an die Austrittskammer anschließende Austrittsöffnung auf.
Aufgrund der sehr hohen Flüssigkeitsdrücke, mit
denen Hochdruckdüsen
zum Entzundern von Stahlerzeugnissen betrieben werden und die mehrere
100 bar bis 600 bar betragen können,
ist ein geringer Strömungswiderstand
entscheidend, da Druckverluste innerhalb der Hochdruckdüse entweder
zu einem geringeren Abtrag oder zu der Erfordernis eines höheren Drucks
der Zufuhrleitung führen. Darüber hinaus
ist die Form des erzeugten Flachstrahls entscheidend, der zum Erzielen
einer möglichst
guten Abtragwirkung einen möglichst
geringe Breite aufweisen soll. Schließlich ist die Hochdruckdüse erheblichen
mechanischen Belastungen ausgesetzt, da beispielsweise Druckstöße in der
Zufuhrleitung zum Kollabieren des Filters der Hochdruckdüse führen können.
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Eine
weitere Hochdruckdüse
zum Entzundern von Stahlerzeugnissen ist aus dem deutschen Gebrauchsmuster
DE 297 06 863 U1 bekannt.
Ein Zuführkanal
nach einem Strahlrichter verjüngt
sich bei der dort dargestellten Düse dreistufig. Unmiittelbar
nach dem Strahlrichter ist eine allmähliche Verjüngung vorgesehen, die etwa
die Länge
des Strahlrichters aufweist. Hieran schließt sich in Strömungsrichtung
gesehen ein Abschnitt mit konstantem Querschnitt an, der kürzer ist
als der Strahlrichter bzw. die sich an diesen anschließende Verjüngung. Im
eigentlichen Düsenmundstück folgt
auf den Abschnitt mit konstantem Querschnitt eine weitere Verjüngung, dann
erneut ein Abschnitt mit konstantem Querschnitt und schließlich eine
dritte Verjüngung,
die auf die Austrittsöff nung
zuführt.
Das gesamte Düsenmundstück ist insgesamt
etwa so lang wie der Strahlrichter.
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Aus
der
US-Patentschrift 3,486,700 ist
eine Sprühdüse bekannt,
die beispielsweise für
die Tankreinigung eingesetzt werden kann. Die Sprühdüse weist
einen sich verjüngenden
Strömungskanal auf,
in den Strömungsleitflächen vorragen.
In einem, die Mittellängsachse
des Zuführkanals
unmittelbar umgebenden Bereich ist ein freier Strömungsquerschnitt
vorgesehen, um den Zuführkanal
gegenüber Verstopfung
durch Fremdkörper
weniger anfällig
zu machen.
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Aus
der deutschen Patentschrift
DE
1 185 566 B ist eine Tankreinigungsdüse bekannt, die ebenfalls stromaufwärts einer
Austrittsöffnung
einen Strahlrichter mit mehreren Strömungsleitflächen aufweist, wobei ein die
Mittellängsachse
des Zuführkanals
unmittelbar umgebender Bereich einen freien Strömungsquerschnitt aufweist.
Die Strömungsleitflächen sind
dadurch gebildet, dass auf einem Kreis mehrere Bohrungen nebeneinander
gesetzt wurden und eine weitere Bohrung mit größerem Durchmesser exakt entlang
der Mittellängsachse
ausgeführt wurde.
Die Strömungsleitflächen haben
dadurch zylinderwandförmige
Außenflächen.
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Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 102 11 590 A1 ist eine Zerstäuberdüse mit einem zentralen
Strömungsführungselement
bekannt, das Leitschaufeln aufweist und das mittels Metallpulverspritzguss
hergestellt ist.
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Die
deutsche Offenlegungsschrift
DE 103 61 769 A1 beschreibt einen Druckaufnehmer,
dessen Aufnehmerkörper
einstückig
durch ein Metallpulverspritzgussverfahren mit anschließendem Sinterprozess
gefertigt ist.
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Mit
der Erfindung soll eine verbesserte Hochdruckdüse zum Entzundern von Stahlerzeugnissen bereitgestellt
werden.
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Erfindungsgemäß ist hierzu
eine Hochdruckdüse
zum Entzundern von Stahlerzeugnissen mit einem Strahlrichter innerhalb
einer Zuführkanals
zu einer Austrittsöffnung
vorgesehen, wobei stromabwärts
des Strahlrichters eine Verjüngung
des Zuführkanals
vorgesehen ist, bei der der Strahlrichter in einem die Mittellängsachse
des Zuführkanals
unmittelbar umgebenden Bereich einen freien Strömungsquerschnitt aufweist,
bei der sich an die Verjüngung stromabwärts des
Strahlrichters ein Abschnitt mit konstantem Querschnitt anschließt, der
in eine sich verjüngende
Austrittskammer übergeht
und bei der der Abschnitt mit konstantem Querschnitt mindestens
doppelt so lang wie die Verjüngung
stromabwärts
des Strahlrichters ist.
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Auf
diese Weise ist ein sogenannter seelenloser Strahlrichter realisiert,
der sich einerseits durch einen geringen Strömungswiderstand und andererseits
durch eine sehr gute Ausrichtungswirkung auszeichnet. Der Strahlrichter
weist also einen die Mittelängsachse
unmittelbar umgebenden Strömungskanal
ohne Einbauten auf. Gegenüber
konventionellen Strahlrichtern, die ein mittiges zylindrisches Bauteil aufweisen,
von dem aus Strömungsleitflächen radial ausgehen,
weist der erfindungsgemäße Strahlrichter einen
deutlich verringerten Strömungswiderstand auf,
da der die Mittellängsachse
des Zuführkanals unmittelbar
umgebende Strömungskanal
frei bleibt und für
das ungehinderte Durchströmen
genutzt werden kann. Da der für
die Strömung
zur Verfügung
stehende freie Querschnitt erheblich größer ist, wird eine deutliche
Verringerung des Strömungswiderstandes
erzielt. Der freie Strömungsquerschnitt
kann beispielsweise einen Radius aufweisen, der etwa 1/5 des Innenradius
des Strahlrichter beträgt.
Mittels einer Verjüngung
stromabwärts
des Strahlrichters kann die Strömung
konzentriert werden und auf kurzem Weg kann der Strömungskanal
auf den Querschnitt der Austritts kammer zusammengeführt werden.
Erfindungsgemäß ist dabei
eine kurze Verjüngung
vorgesehen und der sich verjüngende
Abschnitt des Zuführkanals
weist nur etwa die Hälfte
bis ein Drittel der Länge
des Strahlrichters auf. Mittels eines sich an die Verjüngung stromabwärts des
Strahlrichters anschließenden
Abschnitts mit konstantem Querschnitt kann eine Strömungsberuhigung
erzielt werden, die sich in einer sehr guten Strahlqualität bei geringem Strömungswiderstand
auswirkt. Der Abschnitt mit konstantem Querschnitt ist vorteilhafterweise
länger als
die Verjüngung
nach dem Strahlrichter. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, den
Abschnitt mit konstantem Querschnitt mindestens doppelt so lang
wie die Verjüngung
nach dem Strahlrichter und insbesondere sieben Mal so lang wie die
Verjüngung
auszubilden. Die Austrittskammer geht in die Austrittsöffnung über, aus
der dann der Sprühstrahl
austritt.
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In
Weiterbildung der Erfindung weist der Strahlrichter Strömungsleitflächen auf,
die sich parallel zur Mittellängsachse
des Zuführkanals
und auf die Mittellängsachse
zu erstrecken.
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Mittels
solcher parallel zur Mittellängsachse des
Zuführkanals
ausgerichteter Strömungsleitflächen lässt sich
eine gute Richtwirkung des Strahlrichters erzielen und eine Strömung, die
den Strahlrichter passiert hat, ist stromabwärts des Strahlrichters im Wesentlichen
vollständig
parallel zur Mittellängsachse
ausgerichtet.
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In
Weiterbildung der Erfindung erstrecken sich die Strömungsleitlächen radial
in Richtung auf die Mittellängsachse
zu.
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Auf
diese Weise können
ebene Strömungsleitflächen realisiert
werden, die eine sehr gute Ausrichtungswirkung bei geringem Strömungswiderstand
aufweisen.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist stromaufwärts des Strahlrichters ein
Filter angeordnet, der radial zur Mittellängsachse ausgerichtete Eintrittsschlitze
aufweist. Die Eintrittsschlitze erstrecken sich vorteilhafterweise
parallel zur Mittellängsachse.
Der Filter kann eine kugelabschnittsförmige Filterkappe aufweisen,
die Eintrittsöffnungen
aufweist, die sich parallel zur Mittellängsachse erstrecken.
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Die
Eintrittsöffnungen
in der kugelabschnittsförmigen
Filterkappe sind dabei getrennt von den Eintrittsschlitzen des Filters,
so dass die kugelabschnittsförmige
Filterkappe sehr stabil ausgeführt werden
kann und insbesondere eventuell in den Zuführleitungen auftretenden Druckstößen standhalten kann.
Beispielsweise weist die Filterkappe einen umlaufenden Bund auf,
der für
eine hohe mechanische Festigkeit sorgt. Die Eintrittsschlitze im
Filter enden somit vor der kugelabschnittsförmigen Filterkappe.
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In
Weiterbildung der Erfindung sind Endbegrenzungsflächen der
Eintrittsschlitze, die auf der Seite des Strahlrichters liegen,
abgerundet oder schräg
nach innen führend
ausgebildet, wobei die abgerundeten Endbegrenzungsflächen in
Richtung auf die Mittellängsachse
zu konvex ausgebildet sind. Der jeweilige Schlitzgrund der Eintrittsschlitze,
der in Strömungsrichtung
gesehen auf der Seite des Strahlrichters liegt, ist somit in Richtung
auf die Mittellängsachse
zu nach außen
gewölbt
oder konvex ausgebildet. Alternativ ist der Schlitzgrund nach innen
geneigt und insbesondere kegelmantelabschnittsförmig ausgebildet, wobei sich
der Kegel dann in Strömungsrichtung
verjüngt.
Dadurch wird die Strömung
durch die Eintrittsschlitze hindurch im Bereich des Schlitzgrundes
allmählich
in Richtung der Mittellängsachse umgelenkt.
Dadurch wird eine Wirbelbildung im Bereich des Schlitzgrundes erheblich
vermindert und es wird ein geringer Strömungswiderstand und eine im Wesentlichen
parallel zur Mittellängsachse
ausgerichtete Strömung
stromabwärts
des Strahlrichters erzielt.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist der Filter mittels einer Filterkappe
und eines Filterhauptteils gebildet, wobei die Filterkappe und das
Filterhauptteil als Einzelteile hergestellt und dann unlösbar miteinander
verbunden sind.
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Auf
diese Weise wird die Herstellung auch geometrisch komplizierter
Formen im Bereich von Filterkappe und Filterhauptteil erleichtert.
Nach dem unlösbaren
Verbinden von Filterkappe und Filterhauptteil steht eine stabile
und strömungsgünstige Filtereinheit
zur Verfügung.
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In
Weiterbildung der Erfindung sind die Filterkappe und das Filterhauptteil
durch Metallpulverspritzguss hergestellt und dann zusammengesintert.
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Durch
Metallpulverspritzguss lassen sich auch geometrisch komplizierte
Formen realisieren, die durch eine mechanische Bearbeitung nicht
oder nur mit erheblichem Aufwand realisiert werden könnten. Hierzu
zählt beispielsweise
die zur Mittellängsachse
ausgerichtete, konvexe Ausbildung der Stirnflächen der Eintrittsschlitze
des Filters. Üblicherweise werden
solche Eintrittsschlitze durch Eintauchen eines Fräsers oder
eines Sägeblatts
in ein rohrförmiges
Bauteil ausgebildet. Dabei ergibt sich dann in der Regel eine nach
außen
gerichtete, konkave Ausbildung der Stirnflächen, die strömungstechnisch
ungünstig
ist.
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In
Weiterbildung der Erfindung weist das Filterhauptteil den Strahlrichter
auf.
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Auf
diese Weise lässt
sich ein strömungsgünstiges
kombiniertes Strahlrichter- und Filterbauteil realisieren. Bei Herstellung
dieses kombinierten Strahlrichter- und Filterbauteils mittels Metallpulverspritzgießen lassen
sich der erfindungsgemäße seelenlose
Strahlrichter und eine strömungsgünstige Ausbildung
der Eintrittsschlitze am Filter realisieren und im Rahmen einer
Serienproduktion herstellen. Alternativ kann der Strahlrichter auch
als separates Strömungskanalbauteil
ausgebildet sein oder in ein anderes Bauteil der Düse als den
Filter integriert sein.
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In
Weiterbildung der Erfindung weist die Filterkappe einen umlaufenden
Bund mit sich radial nach innen erstreckenden Vorsprüngen auf,
wobei die Vorsprünge
in passende Ausnehmungen des Filterhauptteils eingreifen.
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Auf
diese Weise lässt
sich eine sehr stabile Anbindung der Filterkappe an das Filterhauptteil
realisieren, die darüber
hinaus eine sehr strömungsgünstige Ausbildung
erlaubt. Alternativ kann das Filterhauptteil mit einem umlaufenden
Bund mit sich radial nach innen oder außen erstreckenden Vorsprüngen versehen
sein, wobei die Vorsprünge
dann in passende Ausnehmungen der Filterkappe eingreifen. Unabhängig davon,
ob der umlaufende Bund mit sich radial erstreckenden Vorsprüngen an
der Filterkappe oder dem Filterhauptteil vorgesehen ist, lassen
sich die erfindungsgemäßen Vorteile
einer sehr stabilen und dabei strömungsgünstigen Ausbildung der Verbindung
zwischen Filterkappe und Filterhauptteil realisieren.
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In
Weiterbildung der Erfindung weist das Filterhauptteil an seinem,
der Filterkappe benachbarten Ende sich parallel zur Mittellängsachse
erstreckende Stege auf, zwischen denen die Ausnehmungen gebildet
sind. Vorteilhafterweise sind zwischen den Stegen des Filterhauptteils
die Eintrittsschlitze gebildet.
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Das
Filterhauptteil weist demgemäß über seinen
Umfang verteilt mehrere, sich in Stromaufwärtsrichtung erstreckende Finger
oder Stege auf, zwischen denen die Eintrittsschlitze gebildet sind. Die
Enden dieser Stege werden durch die Filterkappe aufgenommen und
fixiert. Nach dem unlösbaren
Verbinden von Filterhauptteil und Filterkappe entsteht dadurch ein
stabiles Bauteil. Besonders vorteilhaft können Filterkappe und Filterhauptteil
mittels Metallpulverspritzguss hergestellt und dann zusammengesintert
werden.
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Das
der Erfindung zugrundeliegende Problem wird auch durch ein Verfahren
zum Herstellen einer Sprühdüse, insbesondere
einer Hochdruckdüse
zum Entzundern von Stahlerzeugnissen, gelöst, bei dem folgende Schritte
vorgesehen sind:
Mischen von Metallpulver,
Spritzgießen der
erhaltenen Mischung in eine Form,
Entfernen des Binders durch
chemische und/oder thermische Prozesse und
Sintern des nach
dem Entfernen des Binders erhaltenen Vorprodukts.
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Mittels
eines solchen Metallpulverspritzgießverfahrens lassen sich auch
sehr komplizierte geometrische Formen realisieren, die mittels einer
konventionellen mechanischen Bearbeitung nicht oder nur mit erheblichem
Aufwand hergestellt werden könnten.
Das Verwenden von Spritzgussmaschinen erlaubt dabei die vergleichsweise
kostengünstige Herstellung
in Serienstückzahlen,
kostengünstig
beispielsweise im Vergleich zu Feinguss. Überraschenderweise hat sich
gezeigt, dass die durch Metallpulverspritzgießen erhaltene Bauteile stabil
genug sind, um den erheblichen Betriebsdrücken von mehreren 100 bar bei
Hochdruckdüsen
zum Entzundern von Stahlerzeugnissen standzuhalten. Über die
ohnehin hohen Betriebsdrücke
hinaus können
in Rohrleitungen zur Versorgung von Entzunderungsdüsen Druckstöße auftreten,
die ein Vielfaches der Betriebsdrücke betragen. Durch das Metallpulverspritzgießen werden
Sinterbauteile realisiert und es ist zunächst zu erwarten, dass Sinterbauteile
eher spröden
Charakter aufweisen und daher für
Belastungen mit extremen Druckspitzen, wie sie beim Betrieb von
Entzunderungsdüsen
auftreten, nicht geeignet sind. Versuche habe aber überraschenderweise
gezeigt, dass mittels Metallpulverspritzgießen erhaltene Sinterteile bei
entsprechender Auslegung diesen Belastungen standhalten können und
darüber
hinaus neue Möglichkeiten
zur Strömungsoptimierung
von Hochdruckdüsen
bieten.
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In
Weiterbildung der Erfindung werden als Vorprodukte vorliegende Einzelteile
nach dem Entfernen des Binders zusammengebaut und dann werden die
zusammengebauten Vorprodukte gesintert.
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Auf
diese Weise können
Bauteile einstückig hergestellt
werden, beispielsweise ein kombiniertes Strahlrichter- und Filterbauteil
einschließlich
Filterkappe, da nach dem Sintern die zusammengebauten Vorprodukte
unlösbar
miteinander verbunden sind. Dadurch ergeben sich noch weitere Möglichkeiten zur
gleichzeitig stabilen und strömungsgünstigen
Gestaltung von Hochdruckdüsen.
Nach dem Entfernen des Binders liegt ein Vorprodukt mit einer vergleichsweise
fragilen Struktur vor, da das Metallpulver nach Entfernen des Binders
eine poröse
Struktur ausbildet. Erst während
des Sinterns wird das Vorprodukt verdichtet und ist danach mechanisch
hoch belastbar.
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In
Weiterbildung der Erfindung enthält
das Metallpulver wenigstens teilweise Hartmetallpulver.
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Überraschenderweise
hat sich gezeigt, dass sogar Hartmetallteile mittels Metallpulverspritzguss hergestellt
werden können.
Dies ist speziell für
die Herstellung von Mundstücken
von Hochdruckentzunderungsdüsen
von Vorteil. Auch im Mundstückbereich
und speziell im Bereich der Austrittskammer und Austrittsöffnung lassen
sich dadurch auch komplizierte geometrische Formen realisieren,
die durch mechanische Bearbeitung nicht oder nicht mit vertretbarem
Aufwand realisiert werden können.
Nach dem Sintern des Vorprodukts aus Hartmetallpulver erhält man ein
Hartmetallbauteil, das sich hervorragend für den Einsatz als Mundstück einer
Hochdruckentzunderungsdüse
eignet und insbesondere eine hohe Standzeit aufweist.
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In
Weiterbildung der Erfindung weist die Hochdruckdüse wenigstens einen Filter
und einen Strahlrichter in einem kombinierten Filter- und Strahlrichterbauteil
auf, das aus wenigstens zwei Einzelteilen zusammengesetzt ist, wobei
die Einzelteile mittels Zusammensintern unlösbar miteinander verbunden
werden.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
perspektivische, aufgeschnittene Ansicht einer erfindungsgemäßen Hochdruckdüse,
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2 eine
Schnittansicht der Hochdruckdüse
der 1,
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3 eine
Schnittansicht eines kombinierten Strahlrichter- und Filterbauteils
der Hochdruckdüse
der 1,
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4 eine
perspektivische Ansicht eines Filterhauptteils mit integriertem
Strahlrichter des Bauteils der 3,
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5 eine
Seitenansicht des Filterhauptteils der 4,
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6 eine
Ansicht des Filterhauptteils der 5 in Richtung
des Pfeiles VI,
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7 eine
Ansicht des Filterhauptteils der 5 entlang
dem Pfeil VII,
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8 eine
Ansicht des Filterhauptteils der 5 auf die
Schnittebene VIII-VIII,
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9 eine
vergrößerte Darstellung
einer Einzelheit des Filterhauptteils der 8,
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10 eine
weitere Seitenansicht des Filterhauptteils der 4,
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11 eine
Schnittansicht des Filterhauptteils der 10 auf
die Schnittebene XI-XI,
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12 eine
Seitenansicht einer Filterkappe des Bauteils der 3,
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13 eine
Ansicht der Filterkappe der 12 in
Richtung des Pfeiles XIII,
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14 eine
Schnittansicht auf die Schnittebene XIV-XIV der 13,
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15 eine
Schnittansicht auf die Schnittebene XV-XV der 13 und
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16 eine
schematische Darstellung zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die
perspektivische, geschnittene Ansicht der 1 zeigt
eine erfindungsgemäße Hochdruckdüse 10 zum
Entzundern von Stahlerzeugnissen. Die Hochdruckdüse 10 ist in einen
rohrförmigen
Anschlussnippel 12 eingebaut und in diesem rohrförmigen Anschlussnippel 12 mittels
einer Überwurfmutter 14 gesichert.
Die Hochdruckdüse 10 selbst
weist ein kombiniertes Filter- und Strahlrichterbauteil 16 auf, das
in ein Düsengehäuse 18 eingeschraubt
ist. In das Düsengehäuse 18 ist
wiederum ein Mundstück 20 eingeschoben,
das an seinem stromabwärts
gelegenen Ende eine Austrittsöffnung 22 definiert.
Der rohrförmige
Anschlussnippel 12 ist mit einem nicht dargestellten Düsenbalken
verbunden, in die ein Filter 24 der Hochdruckdüse 10 vorragt.
Durch den Filter 24 in die Hochdruckdüse 10 eintretende
Flüssigkeit
strömt über einen
Strahlrichter 26 und gelangt letztendlich zum Mundstück 20 und
tritt aus der Austrittsöffnung 22 in
Form eines Flachstrahls aus. Das Mundstück 20 ist gegen das
Düsengehäuse 18 mittels
einer umlaufenden Metalllotnaht 28 abgedichtet.
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Anhand
der 1 ist gut zu erkennen, dass der Strahlrichter 26 einen,
eine Mittellängsachse 30 der
Hochdruckdüse 10 unmittelbar
umgebenden Strömungskanal
freilässt.
Im Bereich des Strahlrichters 26 ist somit ein die Mittellängsachse 30 unmittelbar
umgebender Strömungskanal
ohne jegliche Einbauten vorhanden. Der Strahlrichter 26 weist
mehrere, sich radial in Richtung auf die Mittellängsachse 30 zu erstreckende
Strömungsleitflächen auf,
die eben ausgebildet und parallel zur Mittellängsachse 30 ausgerichtet
sind. Mittels des Strahlrichters 26 lässt sich die in den Filter 24 eintretende
Flüssigkeit
parallel zur Mittellängsachse 30 ausrichten.
Wie noch erläutert werden
wird und wie auch in 1 zu erkennen ist, sind die
mehreren Strömungsleitflächen des
Strahlrichters 26 lediglich am Außenumfang des Strahlrichters
befestigt und ragen frei in Richtung auf den die Mittellängsachse 30 umgebenden
Strömungskanal vor.
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In
der Schnittansicht der 2 sind zwei einander gegenüberliegende
Strömungsleitflächen des Strahlrichters 26 zu
erkennen, durch die die Schnittebene gelegt ist. Stromaufwärts des
Strahlrichters 26 ist der Filter 24 angeordnet,
der aus einem kreiszylindrischen Rohrabschnitt mit sich radial zur
Mittellängsachse 30 erstreckenden
Eintrittsschlitzen gebildet ist und der mit einer kugelabschnittsförmigen Filterkappe
versehen ist.
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Stromabwärts des
Strahlrichters 26 schließt sich ein kegelförmig verjüngender
Abschnitt 32 an, der in einen kreiszylindrischen Abschnitt 34 mit
konstantem Durchmesser übergeht.
Der sich verjüngende
Abschnitt 32 ist dabei kürzer als der Strahlrichter 26 ausgebildet
und weist etwa 1/3 bis 1/2 der Länge des
Strahlrichters 26 auf. Der Abschnitt 34 mit konstantem
Querschnitt stromabwärts
des sich verjüngenden
Abschnitts 32 ist dahingegen sowohl deutlich länger als
der Strahlrichter 26 als auch deutlich länger als
der sich verjüngende
Abschnitt 32. Bei der dargestellten Ausführungsform
ist der Abschnitt 34 mit konstantem Querschnitt etwas dreimal
so lang wie der Strahlrichter 26 und hat etwa die sieben fache Länge des
sich verjüngenden
Abschnitts 32. Es hat sich herausgestellt, dass sich durch
eine solche Bemessung der Längen
von Strahlrichter 26, der Verjüngung 32 und des Abschnitts 34 mit
konstantem Querschnitt Strömungsverhältnisse
einstellen lassen, die eine exakte Ausformung eines austretenden Flachstrahls 36 begünstigen.
Stromabwärts
des Abschnitts 34 mit konstantem Durchmesser schließt sich
eine Austrittskammer 38 im Mundstück 20 an. Die Austrittskammer 38 verjüngt sich
kegelförmig und
endet an der Austrittsöffnung.
Die Länge
der Austrittskammer 38 ist etwa halb so groß wie die
Länge des
Strahlrichters 26 und deutlich geringer als die Länge des
Abschnitts 34 mit konstantem Querschnitt. Die Länge der
Austrittskammer 38 liegt etwa in der Größenordnung der Verjüngung 32 unmittelbar stromabwärts des
Strahlrichters 26.
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Bei
der erfindungsgemäßen Hochdruckdüse wird
ein freier, der Strömung
zur Verfügung
stehender Strömungskanal
somit zweistufig auf relativ kurzem Weg verjüngt, nämlich einmal durch den sich verjüngenden
Abschnitt 32 unmittelbar stromabwärts des Strahlrichters 26 und
dann, ebenfalls auf vergleichsweise kurzem Weg mittels der sich
verjüngenden
Austrittskammer 38. Es hat sich herausgestellt, dass eine
solche zweistufige, jeweils relativ starke Einschnürung des
Strömungskanals
auf kurzem Weg strömungstechnisch
günstiger
ist als eine sehr allmähliche
Verjüngung über einen
großen
Weg. Speziell wird der zur Verfügung
stehende freie Querschnitt mittels des Abschnitts 32 auf
kurzem Weg relativ stark eingeschnürt, im Verlauf des langen Abschnitts 34 mit
konstanten Querschnitt kann sich die Strömung aber wieder beruhigen,
um dann sehr gleichmäßig in die
Austrittskammer 38 einzutreten.
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Der
größte freie
Strömungsquerschnitt
liegt im Bereich des Filters 24 vor und wird durch die
Summe der freien Querschnitte der länglichen Filterschlitze sowie
der weiteren Filterschlitze in der Filterkappe bestimmt. Ein bereits
deutlich verringerter Strömungsquerschnitt
liegt im Bereich des Strahlrichters 26 vor, wobei sich
der freie Strömungsquerschnitt dort
aus dem Querschnitt des Gesamtkanals abzüglich der Stirnflächen der
sternförmig
angeordneten Strömungsleitflächen ergibt.
Ein Verhältnis
der freien Strömungsquerschnittsfläche am Strahlrichter 26 zu der
freien Strömungsquerschnittsfläche des
Filters 24 liegt vorteilhafterweise bei 1:6 oder größer.
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Eine
weitere Einengung des Strömungsquerschnitts
erfolgt nach dem Strahlrichter 26 auf den Querschnitt des
Kanals 27, der mit konstantem Querschnitt bis vor das Mundstück 12 geführt ist.
Ein Verhältnis
der freien Strömungsquerschnittsfläche im Kanal 37 zur
freien Strömungsquerschnittsfläche am Strahlrichter 26 liegt
vorteilhafterweise bei 1:1,23 oder größer.
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Ein
Verhältnis
der freien Strömungsquerschnittsfläche im Kanal 37 zur
freien Strömungsquerschnittsfläche des
Filters 24 liegt vorteilhafterweise bei 1:7,44 oder größer.
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Die
freie Strömungsquerschnittsfläche im Kanal 37 beträgt beispielsweise
95 mm2, die freie Strömungsquerschnittsfläche im Strahlrichter 26 betrifft
beispielsweise 117 mm2 und die freie Strömungsquerschnittsfläche am Filter 24 beträgt beispielsweise
707 mm2.
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Am
stromaufwärtsgelegenen
Ende des Mundstücks 12 ist
zwischen einer Innenwand des Düsengehäuses 14 und
einer ringförmigen
Stirnfläche
des Mundstücks 12 eine
Metalllotnaht 28 vorgesehen, die das Mundstück 12 gegen
das Düsengehäuse 14 abdichtet.
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Die
Schnittansicht der 3 zeigt das kombinierte Strahlrichter-
und Filterbauteil 16 der Hochdruckdüse 10 der 1.
Das Bauteil 16 besteht aus insgesamt drei Einzelteilen,
die unlösbar
miteinander verbunden sind, nämlich
aus einer Filterkappe 40, einem Filterhauptteil 42,
das auch den Strahlrichter 26 aufweist, und einem Leitungsteil 44,
das den sich verjüngenden
Abschnitt 32 stromabwärts
des Strahlrichters 26 und den Abschnitt 34 mit
konstantem Querschnitt 34 aufweist. An seinem stromabwärts gelegenen
Ende ist das Leitungsteil 44 mit einem Außengewinde 46 versehen,
mit dem das Leitungsteil 44 in das Düsengehäuse 18 eingeschraubt
wird.
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Die
Filterkappe 40 ist kugelabschnittsförmig ausgebildet und weist
sich parallel zur Mittellängsachse 30 erstreckende
Eintrittsöffnungen 48 auf.
Die Eintrittsöffnungen 48 sind
sternförmig
auf der Filterkappe 40 angeordnet. Das Filterhauptteil 42 weist mehrere,
sich parallel zur Mittellängsachse 30 erstreckende
Stege 50 auf, die gleichmäßig voneinander beabstandet
um seinen Umfang herum angeordnet sind. Zwischen den Stegen 50 verbleiben
Eintrittsschlitze, durch die Flüssigkeit
in den Filter 24 eintreten kann.
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Anhand
der 3 ist gut zu erkennen, dass stromabwärts gelegene
Stirnflächen 52 der
Eintrittsschlitze abgerundet ausgebildet und in Richtung auf die
Mittellängsachse 30 zu
gesehen konvex gekrümmt
sind. Durch die Eintrittsschlitze eintretende Flüssigkeit wird dadurch im Bereich
der stromabwärts
gelegenen Stirnflächen
der Eintrittsschlitze allmählich
in Richtung der Mittellängsachse 30 umgelenkt.
Dadurch wird eine Wirbelbildung im Bereich der Stirnflächen 52 gering
gehalten und ein geringer Strömungswiderstand
bei gleichförmiger
Strömung kann
erzielt werden.
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Gut
zu erkennen ist in 3 weiterhin, dass die sich radial
in Richtung auf die Mittellängsachse 30 zu
erstreckenden, ebenen Strömungsleitflächen 54 des
Strahlrichters 26 einen die Mittellängsachse unmittelbar umgebenden
Strömungskanal 56 ohne
Einbauten freilassen.
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Die
Filterkappe 40, das Filterhauptteil 42 mit dem
Strahlrichter 26 und das Leitungsteil 44 werden als
Einzelteile mittels Metallpulverspritzguss hergestellt und dann
nach dem Entfernen eines thermoplastischen Binders, als einzelne
Vorprodukte zusammengesteckt und dann gesintert. Nach dem Sintern
sind die Filterkappe 40, das Filterhauptteil 42 und
das Leitungsteil 44 unlösbar
miteinander verbunden und bilden das hochbelastbare kombinierte Strahlrichter-
und Filterbauteil 16. Die Herstellung mittels Metallpulverspritzgießen wird
nachfolgend noch eingehend erläutert.
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Die
Darstellung der 4 zeigt in perspektivischer
Ansicht das Filterhauptteil 42 der 3. Gestrichelt
angedeutet sind an und für
sich nicht erkennbare Einzelheiten, so die radial ausgerichteten
Strömungsleitflächen 54 und
an und für
sich verdeckte Eintrittsschlitze zwischen den Stegen 50.
Die Stege 50 sind an ihrem stromaufwärts gelegenen Ende mit verringerter
Dicke ausgebildet, so dass jeder Steg 50 einen Absatz 58 aufweist,
der als Anschlag beim Aufschieben der Filterkappe 40 dient,
wie auch in der Seitenansicht der 5 zu erkennen
ist.
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Die
Ansicht der 6 in Richtung des Pfeiles VI
der 5 zeigt die sich radial in Richtung auf die Mittellängsachse
erstreckenden Strömungsleitflächen 54 des
Strahlrichters, die um die Mittellängsachse 30 herum
den Strömungskanal 56 freilassen. Wie
bereits erläutert
wurde, sind die Strömungsleitflächen 54 lediglich
an ihrem radial außenliegenden Ende
mit der Innenwand des Filterhauptteils 42 verbunden und
ragen frei in Richtung auf die Mittellängsachse vor. Anhand der Ansicht
der 6 ist gut zu erkennen, dass die Strömungsleitflächen 54 einen vergleichsweisen
gleich großen
Querschnitt freilassen und trotz sehr guter Ausrichtungswirkung
nur einen geringen Strömungswiderstand
verursachen. Sämtliche,
in die Strömung
ragenden Kanten der Strömungsleitflächen 54 sind
abgerundet ausgebildet.
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Die
Darstellung der 7 zeigt eine Ansicht des Filterhauptteils 42 in
Richtung des Pfeiles VII der 5. Gut zu
erkennen sind die freien Enden der Stege 50 mit jeweils
einem Absatz 58. Die Stege 50 lassen zwischen
sich Eintrittsschlitze frei, die sich radial in Richtung auf die
Mittellängsachse
zu erstrecken und durch die Flüssigkeit
in das Innere des Filterhauptteils 42 eintreten kann. Die
Anzahl der Schlitze zwischen den Stegen 50 ist größer als
die Anzahl der Strömungsleitflächen. Insgesamt
sind bei der gezeigten Ausführungsform
acht Strömungsleitflächen 54 und
vierzehn Eintrittsschlitze vorhanden, die jeweils gleichmäßig über den
Umfang des Filterhauptteils 42 verteilt sind.
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Die
Schnittansicht des Filterhauptteils 42 in 8 auf
die Schnittebene VIII-VIII der 5 lässt die
abgerundete Ausbildung der Stirnflächen 52 der Eintrittsschlitze
zwischen den Stegen 50 des Filters 24 erkennen.
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Die
Stirnflächen 52 der
Eintrittsschlitze sind gekrümmt
ausgebildet und, wie vor allem der Schnittansicht der 11 auf
die Schnittebene XI-XI der 10 zu
entnehmen ist, in Richtung auf die Mittellängsachse 30 gesehen
konvex ausgebildet. Darüber hinaus
sind die Übergänge zwischen
den Stirnflächen 52 und
den seitlichen Begrenzungen der Stege 50, die die Eintrittsschlitze
definieren, abgerundet ausgebildet, wie dies vor allem gut in der
vergrößerten Einzelheitdarstellung
der 9 zu erkennen ist. Die durch die Eintrittsschlitze
eintretende Flüssigkeit wird
dadurch unter geringer Wirbelbildung und dadurch geringen Strömungsverlusten
in Richtung der Mittellängsachse 30 umgelenkt.
Ebenfalls abgerundet sind die freien Kanten der Strömungsleitflächen 54 des
Strahlrichters 26, wie 11 und
auch 6 und 7 zu entnehmen ist.
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Die
Darstellung der 12 zeigt die Filterkappe 40 in
einer Seitenansicht. Die Filterkappe 40 ist im Wesentlichen
kugelabschnittsförmig
ausgebildet und weist sternförmig
um die Mittellängsachse 30 angeordneten
Eintrittsöffnungen 48 auf,
die sich parallel zur Mittellängsachse 30 erstrecken.
Durch die Eintrittsöffnungen 48 kann
Flüssigkeit
in das Innere des Filters eintreten und wird mit dem Eintritt bereits etwa
parallel zur Mittellängsachse 30 ausgerichtet. Die
Filterkappe 40 weist einen Indexschlitz 60 auf, der
das winkelrichtige Aufsetzen der Filterkappe 40 auf das
Filterhauptteil 42 erleichtert.
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Die
Darstellung der 13 zeigt eine Ansicht der Filterkappe 40 entlang
dem Pfeil XIII der 12. Wie zu erkennen ist, weist
die Filterkappe 40 einen umlaufenden Bund 62 mit
mehreren, sich radial in Richtung auf die Mittellängsachse 30 zu
erstreckenden Vorsprüngen 64 auf.
Zwischen den Vorsprüngen 64 sind
jeweils Ausnehmungen 66 gebildet, die zum Aufnehmen der
freien Enden der Stege 50 des Filterhauptteils 42 vorgesehen
sind. Die Dicke der Stege 50 entspricht der Wanddicke der
Filterkappe 40 und somit der radialen Abmessung der Vorsprünge 64 zuzüglich der
Dicke des Bunds 62, also der Länge von der Außenwandung
der Filterkappe 40 bis zu deren Innenwandung im Bereich
eines Vorsprungs 64. Wie bereits anhand der 5 erläutert wurde,
sind die freien Enden der Stege 50 in ihrer Dicke reduziert.
Beim Aufsetzen der Filterkappe 40 greifen daher die freien
Enden 59 in die Ausnehmungen 66 ein und die freien
Enden 59 sind so auf die Abmessungen der Ausnehmungen 66 abgestimmt, dass
eine Innenwand der Stege 50 im aufgeschobenen Zustand der
Kappe 40 fluchtend mit der Innenwand der Filterkappe 40 verläuft. Die
Filterkappe 40 wird so weit aufgeschoben, bis der umlaufende
Bund 62 mit seiner Unterkante an der Schulter 58 des
Filterhauptteils 42 anliegt. Da die Materialstärke der Stege 50 der
Wandungsdicke der Filterkappe 40 entspricht, sind nach
dem Aufsetzen der Filterkappe 40 auf das Filterhauptteil 42 sowohl
die Außenwand
der Stege 50 und die Außenwand der Filterkappe 40 als auch
die Innenwand der Stege 50 und die Innenwand der Filterkappe 40 fluchtend
zueinander ausgerichtet. Dies ist auch der Schnittansicht der 3 des
zusammengebauten kombinierten Strahlrichter- und Filterbauteils 16 zu
entnehmen. Bereits im lediglich zusammengesteckten Zustand der Fil terkappe 40 und
des Filterhauptteils 42 sind dadurch lediglich sehr schmale
Fugen zwischen der Filterkappe 40 und dem Filterhauptteil 42 vorhanden.
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Vorteilhafterweise
werden sowohl die Filterkappe 40 als auch das Filterhauptteil 42 durch
Metallpulverspritzguss hergestellt und nach dem Entbindern in zusammengesteckten
Zustand gesintert. Durch das Sintern verbinden sich die Filterkappe 40 und
das Filterhauptteil 42 unlösbar und auch die nach dem
Zusammenstecken noch vorhandenen schmalen Fugen werden aufgefüllt, so
dass nach dem Sintern ein einstückiges
und im Wesentlichen fugenloses Bauteil erhalten wird.
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14 stellt
eine Schnittansicht auf die Schnittebene XIV-XIV der 13 dar
und 15 stellt eine Schnittansicht auf die Schnittebene
XV-XV der 13 dar. 14 und 15 ist
zu entnehmen, dass die Wandstärke
der Filterkappe 40 vom Bund 62 aus in Richtung
auf ihren Scheitelpunkt, also den Schnittpunkt der Mittellängsachse 30 mit
der Wandung der Filterkappe 40 allmählich abnimmt. Durch eine solche
Ausbildung kann die Länge
der Eintrittsschlitze 48 parallel zur Mittellängsachse 30 möglichst
kurz gehalten werden, was einem geringen Strömungswiderstand zugute kommt,
und gleichzeitig kann die Filterkappe 40 äußerst stabil
ausgebildet werden, so dass sie auch starken Druckstößen im Betrieb
der erfindungsgemäßen Hochdruckdüse standhält.
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Anhand
der schematischen Darstellung der 16 soll
das erfindungsgemäße Verfahren
zum Herstellen einer Hochdruckdüse
mittels Metallpulverspritzgießen
erläutert
werden.
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In
einem ersten Verfahrensschritt 70 wird Metallpulver mit
einem thermoplastischen Kunststoffbinder vermischt. Als Metallpulver
kann beispielsweise auch Hartmetallpulver verwendet werden. Die
so erhaltene Mischung wird auch als Feedstock bezeichnet.
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In
einem zweiten Schritt 72 wird die so erhaltene Mischung
dann mittels Spritzgießen
in Form gebracht. Verwendet werden können im Wesentlichen herkömmliche
Spritzgießmaschinen,
da die Mischung ja aufgrund des thermoplastischen Kunststoffbinders
kunststoffähnliche
Eigenschaften aufweist und für
das Spritzgießen
geeignet ist. Das nach dem Spritzgießen erhaltene Vorprodukt wird
als Grünling
oder green component bezeichnet.
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Ein
darauffolgender Schritt 74 wird als Entbindern bezeichnet
und im Verlauf dieses Schritts 74 wird der thermoplastische
Kunststoffbinder durch geeignete Prozesse aus dem Vorprodukt entfernt.
Dies können
beispielsweise thermische oder chemische Prozesse sein. Nach dem
Entbindern liegt ein Vorprodukt mit einer vergleichsweise porösen Struktur vor,
in dem zwischen den einzelnen Metallpulverteilchen Zwischenräume vorhanden
sind, die ursprünglich
durch den thermoplastischen Kunststoffbinder ausgefüllt waren.
Das nach dem Entbindern erhaltene Vorprodukt wird auch als Bräunling oder
brown component bezeichnet.
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Nach
dem Entbindern können
Einzelteile in einem Schritt 76 zusammengebaut werden.
Wie beschrieben wurde, werden die Filterkappe 40, das Filterhauptteil 42 mit
dem Strahlrichter 26 und das Leitungsteil 44 getrennt
mittels Metallpulverspritzgießen hergestellt
und nach dem Entbindern zusammengesetzt. Das Leitungsteil 44 kann
auch als konventionelles Drehteil hergestellt werden und dann mit
den entbinderten Vorprodukten, nämlich
der Filterkappe 40 und dem Filterhauptteil 42 zusammengesetzt
werden.
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Im
zusammengebauten Zustand der Vorprodukte werden diese in einem Schritt 78 gesintert.
Das Sintern erfolgt durch einen Wärmebehandlungsprozess. Nach
dem Sintern sind die Materialeigenschaften des entstandenen Endproduktes
vergleichbar mit denen massiver Materia lien. Die zusammengebauten
Einzelteile, speziell die Filterkappe 40, das Filterhauptteil 42 und
das Zuleitungsteil 44, werden durch den Schritt 78 des
Sinterns unlösbar
miteinander verbunden und eventuell vorhandene Trennfugen zwischen
diesen Einzelteilen verschwinden. Außenwandung und Innenwandung
des kombinierten Strahlrichter- und Filterbauteils 16 verlaufen
dadurch glattflächig
und ohne spürbare
Trennfugen. Dies kommt einem geringen Strömungswiderstand zugute.
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In
einem abschließenden
Schritt 80 können die
zusammengesinterten Bauteile, also das kombinierte Strahlrichter-
und Filterbauteil 16 noch nachbearbeitet oder oberflächenbehandelt
werden. Beispielsweise können
die zugänglichen
Oberflächen strichpoliert
werden, um den Strömungswiderstand noch
weiter herabzusetzen.
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Das
mittels Metallpulverspritzgießen
hergestellte kombinierte Strahlrichter- und Filterbauteil 16 kann
strömungsgünstig und
gleichzeitig hochfest gestaltet werden. Der Einsatz des Metallpulverspritzgießens ermöglicht dadurch überraschende
Verbesserungen an konventionellen Hochdruckdüsen.