CH646883A5 - Piezoelektrischer fluessigkeitszerstaeuber. - Google Patents

Description

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PATENTANSPRUCH Piezoelektrischer Flüssigkeitszerstäuber mit einer piezo-keramischen Wandlereinheit, die einen Biegeteller in Resonanz erregt, bei dem die Wandlereinheit über ein Horn mit dem Biegeteller verbunden und das Horn mit dem Biegeteller axial am vorderen Ende eines Bolzens befestigt ist, der im Anschluss an das Horn eine halteplattenartige Erweiterung aufweist, und mit als Ringe ausgebildeten piezokeramischen Wandlerelementen, die zentrisch auf den Bolzen aufgesetzt sind, wobei die Wandlerelemente über den Bolzen hinweg gegen die halteplattenartige Erweiterung gedrückt sind, in deren Bereich ein erster Schwingungsknoten für die Wandlerelemente liegt, dadurch gekennzeichnet, dass der mit einem Gewinde versehene Bolzen (1) im Bereich der ringförmigen Wandlerelemente (11) wenigstens durch Entfernen der Gewindegänge eine Querschnittsverminderung aufweist, dass eine als Mutter ausgebildete Druckplatte (15) die ringförmigen Wandlerelemente (11) gegen die halteplattenartige Erweiterung (3) drückt, und dass der Gewindebolzen (1) am hinteren Ende bis zur Aufnahme einer auf ihn in einem zweiten Schwingungsknoten (35) für die Wandlerelemente aufgeschraubten Halterung (19) verlängert und der Gewindebolzen (11) zum Zuführen von Zerstäuberflüssigkeit bis zum Biegeteller (7) durchbohrt ist, wobei im Aufschraubbereich der Halterung (19) eine sich über die Wandlerelemente (11) hinweg erstreckende Abschirmung (17) festgesetzt ist.

Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Flüssigkeitszerstäuber gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ölheizungskesselanlagen arbeiten bei kleiner werdenden Einheiten unwirtschaftlich, da die Brennerleistung bei üblicher Düsenzerstäubung nicht unter Durchsatzmengen von 21 pro Stunde absenkbar ist. Noch kleinere Durchsatzmengen würden sehr kleine Düsenöffnungen bedingen, die schmutzempfindlich und damit zu störungsanfallig wären.

Zu kleineren Öl- oder Flüssigkeitsdurchsätzen kann man mit einem piezoelektrischen Schwingsystem gelangen, wie es aus der DE-AS 2 032 433 bekannt ist. Ein solches piezoelektrisches Schwingsystem besteht aus einer Platte, die an ihrer Rückseite mit einem piezoelektrischen Wandlerelement verklebt ist und die an ihrer Vorderseite ein Horn und einen Biegeteller zum Versprühen der Flüssigkeit aufweisen. Die Flüssigkeit wird über das Horn hindurch dem Biegeteller zugeführt. Die Halterung eines derartigen Schwingsystems erfolgt über Zentrierstifte, die mit einer Art Spitzenlagerung die Platte einspannen. Eine solche Halterung ist beispielsweise in der VDI-Zeitschrift, Band 108, Nr. 34, Dez. 66, S. 1674, dargestellt.

Es hat sich gezeigt, dass derartige piezoelektrische Schwingsysteme anfällig sind, da die empfindliche Spitzen-halterung beim Betrieb wenig stabil ist und da die Klebung wegen der dynamischen und thermischen Belastung anfällig ist. Weiterhin weist das bekannte Schwingsystem nur mässig gute Wirkungsgrade auf.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen piezoelektrischen Flüssigkeitszerstäuber der eingangs genannten Art zu schaffen, der mechanisch stabil ist und einen guten Wirkungsgrad aufweist.

Die gestellte Aufgabe ist bei einem piezoelektrischen Flüssigkeitszerstäuber der eingangs genannten Art erfin-dungsgemäss durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmale gelöst.

Ein derartiger piezoelektrischer Flüssigkeitszerstäuber ist mechanisch stabil, da er auf dem vorzugsweise durchgehenden Gewindebolzen aufgebaut ist. Der Gewindebolzen dient zunächst zum Zusammenhalten aller Zerstäuberteile, wie Halteplatte, Wandlerelemente, Druckplatte, Abschirmung und Halterung. Ausserdem gibt der Gewindebolzen die Möglichkeit, eine für keramische Wandlermaterialien kritische Zugbelastung im Schwingbetrieb durch eine entsprechend hohe Vorspannkraft zu vermeiden,'indem die als Mutter ausgebildete Druckplatte die Wandlerelemente mit der gewünschten Vorspannkraft gegen die Halteplatte drückt. Da die Gewindegänge mindestens im Bereich der Wandlerelemente bis auf den Bolzenkern entfernt sind, vergrössert sich der Wirkungsgrad des Zerstäubers. Der Bolzen wirkt nämlich hier als an sich unerwünschte Parallelfeder. Die Querschnittsverminderung erhöht jedoch die Formelastizität dieser Feder (kleinere Federkonstante) und reduziert somit ihren Einfluss. Hinzu kommt noch, dass die mechanische Festigkeit steigt. Dies beruht darauf, dass in den Gewindegängen unter den Wandlerelementen bei der Montage und im Schwingbetrieb Torsions- bzw. Kerbspannungen entstehen würden, die beim Entfernen der Gewindegänge entfallen.

Die bisherige vorderseitige Spitzenlagerang ist in eine rückwärtige Schraubhalterung überführt. Eine solche rückwärtige Schraubhalterung ist unempfindlich und dauerhaft; sie wird möglich durch die Einführung des zweiten Schwingungsknotens im Angriffsbereich der Halterung am Gewindebolzen.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist im Aufschraubbereich der Halterung eine sich über die Wandlerelemente hinweg erstreckende Abschirmung festgesetzt. Die Abschirmung dient dem mechanischen Schutz der Wandlerelemente bei der Montage und evtl. der Aufnahme weiterer Bauteile, wie z.B. Stauscheibe, Zündelektroden und Jüstier-vorrichtungen.

Es ist an sich bekannt, ein ringscheibenförmiges piezoelektrisches Wandler element auf einen Zylinderstutzen aufzusetzen, der nach hinten über das Wandlerelement hinaus verlängert ist. Dieser Stutzen taucht in einen Brennstoffbehälter und dient als Ansaug- oder Pumpstutzen. Die Halterung erfolgt jedoch im Bereich der Halteplatte mit Zentrierstiften.

Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch den Zerstäuber und

Fig. 2 eine Schaltung des Zerstäuberoszillators.

Der Zerstäuber ist auf einem Gewindebolzen 1 aufgebaut. Einstückig mit dem Gewindebolzen 1 sind verbunden ein Halteteller 3, ein Horn 5 und der Biegeteller 7. Die Teile 1 bis 7 werden vorzugsweise aus Vollmaterial herausgedreht. Auf das Gewinde 9 des Bolzens 1 sind zwei als Schwingplatten 11 dienende piezokeramische Ringe aufgeschoben. Zwischen den piezokeramischen Ringen liegt eine ringförmige Kupferberylliumelektrode 13.

Mit Hilfe einer Mutter 15 werden die Ringe 11 und die Elektrode 13 gegen die Halteplatte 3 gepresst.

Auf das rückwärtige Ende des Bolzens 1 ist in einem bestimmten Abstand hinter der Mutter 15 ein Abschirmgehäuse 17 aufgeschraubt. Eine Mutter 19 setzt das Abschirmgehäuse 17 auf dem Bolzen 1 fest und bildet so mit dem auf den Bolzen 1 aufgeschraubten, rückwärtigen Teil 30 des Abschirmgehäuses 17 dessen Halterung 22.

In den Bolzen 1, der mit einer durchgehenden Bohrung 21 versehen ist, ist ein Röhrchen 23 eingeschoben und mit ihm verlötet oder verschweisst. Das Röhrchen 23 greift durch einen Gewindestutzen 25 hindurch nach aussen. Der Gewindestutzen 25, der einstückig mit der Mutter 19 gebildet ist, dient dem Festschrauben des Zerstäubers an dem

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Düsenstock. Auf den Gewindestutzen 25 sind noch zwei Isolierringe 27 aufgeschoben, welche der Abdichtung dienen.

Der Gewindebolzen 1 ist im Bereich der piezokeramischen Ringe 11 mit einer Querschnittsverminderung 31 versehen. Diese Querschnittsverminderung ist durch das Entfernen der Gewindegänge im Bereich der Ringe 11 entstanden.

Der Zerstäuber weist zwei an physikalisch definierten Orten befindliche Schwingungsknoten auf. Der eine Schwingungsknoten 33 liegt im Bereich der Halteplatte 3, und der zweite, künstlich gebildete Schwingungsknoten 35 befindet sich im Bereich der Halterung des Abschirmgehäuses 17 am Bolzen 1. Um eine möglichst gute Entkopplung der Knotenpunkte 33 und 35 zu erhalten, sollte der Bolzen 1, der die piezokeramischen Ringe, das Horn und den Biegeteller trägt, möglich dünn ausgebildet sein.

Die in Fig. 2 dargestellte Oszillatorschaltung soll bewirken, dass der Zerstäuber auf seiner Arbeitsfrequenz mit möglichst grosser Amplitude schwingt. Der Zerstäuber kann als komplexer Zweipol betrachtet werden, der neben der zum Zerstäuben vorgesehenen Resonanzstelle ebenfalls unerwünschte, üblicherweise höherfrequente Nebenresonanzen hat. Die Schaltung ist so ausgelegt, dass sich die Frequenz als Betriebsfrequenz einstellt, bei der die Zerstäuberimpedanz reell ist. Das bedeutet, dass Strom und Spannung am Wandler in Phase sind. Unerwünschte Resonanzstellen werden durch einen Bandpass in der Rückkopplungsleitung unterdrückt. Die Rückkopplungsspannung wird umso grösser, je grösser der Strom durch den Zerstäuber wird.

Um diese Bedingungen zu erfüllen, besteht die Schaltungsanordnung aus einer Leistungsverstärkerstufe mit zwei Komplementär-Leistungstransistoren 101 und 103, die über einen Transformator 105 den Zerstäuber 107 mit rechteck-förmiger Wechselspannung ansteuern. Der Ausgangswiderstand der Schaltungsanordnung ist so klein, dass sie als eingeprägte Spannungsquelle dient. Die Amplitude der Wechselspannung am Wandler hängt ab a) von der Versorgungsgleichspannung der Schaltung und b) vom Übersetzungsverhältnis des Transformators.

Die Leistungsverstärkerstufe wird von einem Treibertransistor 109 in Emitterschaltung angesteuert. Dabei werden die Transistoren 101 und 103 als Schalter verwendet. An die Basis 111 des Treibertransistors 109 gelangt eine Rückkopplungsspannung über eine Leitung 113. Die Rückkopplungsspannung wird dem Sekundärkreis 115 des Transformators 105 entnommen, und zwar als Spannungsabfall über einen gegenüber dem elektrischen Widerstand des Zerstäu-berzweipoles sehr kleinen Widerstand 117. Die Rückkopplungsspannung ist deshalb ein Mass für den Wechselstrom durch den Zerstäuberzweipol. Ein bedämpfter Serienresonanzkreis 119 (eine Induktivität in Reihe mit einer Kapazität 121 und einem Widerstand 122) in der Rückkopplungsleitung 113 wirkt als Bandpass und dient zum Unterdrücken von unerwünschten Nebenresonanzen.

Durch Verstimmen des Resonanzkreises 119,121, 122 kann die Stromaufnahme und damit die mechanische Auslenkung des Zerstäubers beeinflusst werden.

Wegen der eingeprägten Spannung ist die Gesamtstromaufnahme der Oszillatorschaltung ein Mass für den Betriebszustand des Zerstäubers. Sie kann z.B. zur Steuerung eines Ventils herangezogen werden.

Bauteilwerte des ausgeführten Schaltungsbeispieles:

117

10 Q; 0,5 W

127: 270 n

119

9mH

128:3,3 kO

121

1 nF

129: 3,3 kß

122

330 Q

130:1 £2; 1 W

125

lkÜ

131:1 nF

126

18 kQ

132:1,5 nF

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15

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35

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S

1 Blatt Zeichnungen