DE10013450B4

DE10013450B4 - Vorrichtung zur Erzeugung monodisperser Tropfen

Info

Publication number: DE10013450B4
Application number: DE2000113450
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr Wiedemann; Vitus Dr. Dorfner; Günter Dr. Brann; Franz Prof. Dr. Dr. Durst
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 2000-03-17
Filing date: 2000-03-17
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2020-03-18
Also published as: DE10013450A1

Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung monodisperser Tropfen aus Flüssigkeiten, mit einem Schwingungserzeuger (6), der auf die in einem Zufuhrkanal (1, 1') in einem Gehäuse (2, 2') enthaltene Flüssigkeit einwirkt, mit einer den Zufuhrkanal (1, 1') abschließenden, mindestens eine Düsenöffnung (4) aufweisende Düsenwand (5), wobei der Schwingungserzeuger (6) einen piezoelektrischen Schwingungsaktuator (7) aufweist und der piezoelektrische Schwingungsaktuator (7) im Abstand zum Zufuhrkanal (1, 1') angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Schwingungsaktuator (7) mit dem Gehäuse (2, 2') des Zufuhrkanals (1, 1') über ein im Wesentlichen starres Schwingungsübertragungsglied (9, 10) verbunden ist, dessen Längsachse sich quer zur Schwingungsrichtung des angekoppelten piezoelektrischen Schwingungsaktuators (7) erstreckt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung monodisperser Tropfen aus Flüssigkeiten mit einem Schwingungserzeuger, der auf die in einem Zufuhrkanal in einem Gehäuse enthaltene Flüssigkeit einwirkt, mit einer den Zufuhrkanal abschließenden, mindestens eine Düsenöffnung aufweisende Düsenwand, wobei der Schwingungserzeuger einen piezoelektrischen Schwingungsaktuator aufweist und der piezoelektrische Schwingungsaktuator im Abstand zum Zufuhrkanal angeordnet ist.

Derartige Vorrichtungen dienen dazu, monodisperse Tropfen und Sprays mit genau einstellbarem Tropfendurchmesser herzustellen. Die Monodispersität der Tropfen und Sprays ist durch die VDI-Richtlinie 3491 definiert. Monodisperse Sprays sind erforderlich, wenn sowohl das dynamische Verhalten der Spraytropfen als auch ihr Wärme- und Stoffaustauschverhalten genau bestimmbar sein sollen. Dies ist eine wichtige Voraussetzung für eine Optimierung von Geräten und Anlagen, in denen Tropfen und aus Tropfen bestehende Sprays zum Einsatz kommen, beispielsweise Sprühtrocknungsanlagen und Feuerungen.

Bei einer bekannten Vorrichtung ( DE 39 12 524 A1 ) ist der einen piezoelektrischen Schwingungsaktuator enthaltende Schwingungserzeuger unmittelbar im Gehäuse des Zufuhrkanals angeordnet. Wenn die Temperatur der zu zerstäubenden Flüssigkeit hoch ist, wird dadurch auch der piezoelektrische Schwingungsaktuator erwärmt. Beim Überschreiten des Curie-Punktes (etwa bei 300–350°C) geht der piezoelektrische Effekt verloren. Dadurch ist die Anwendbarkeit der bekannten Vorrichtung und aller ähnlich aufgebauter bekannten Vorrichtungen zur Erzeugung monodisperser Tropfen eingeschränkt, weil ein Einsatz bei Flüssigkeiten hoher Temperatur, beispielsweise bei Metallschmelzen, nicht möglich ist.

Aus DE 25 43 635 B2 ist ein Flüssigkeitszerstäuber mit einem Ultraschallwandler und einem mechanischen Schwingungsverstärker bekannt, wobei die Flüssigkeit von einem zu Resonanzschwingungen angeregten, hohlzylindrischen Ultraschallvibrationsteil aus radial versprüht wird. Die anregende Schwingungserzeugung muss dabei auf die Abmessungen des hohlzylindrischen Ultraschall-Vibrationsteils abgestimmt sein. Es wird ein weitgehend ungerichtetes polydispersives Spray erzeugt. Monodispersive Tröpfchen mit bestimmbarem dynamischen Verhalten, Wärme- und Stoffaustauschverhalten können nicht erzeugt werden.

Die Patentschrift DE 718 744 C zeigt eine Vorrichtung zur Herstellung und Verarbeitung von Dispersionen, Emulsionen und Suspensionen. Ein in einem Behälter angeordneter, flüssigkeitsdurchströmter Schwingkörper weist eine Wasserkühlung auf, mittels deren die Temperatur des Schwingkörpers im unteren Bereich kontrollierbar ist.

Die Offenlegungsschrift DE 35 01 077 A1 zeigt eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung mit einem Stapel ringförmiger piezoelektrischer Kristalle, die über isolierende Körper mit einem Schwingstempel verbunden sind. Der piezoelektrische Antrieb ist von dem Zufuhrkanal, dem Vorratsraum und dem Düsenkörper durch eine Membran getrennt. Der als Schwingungsübertragungsglied wirkende Schwingstempel ist parallel zur Richtung der Auslenkung der piezoelektrischen Kristalle ausgerichtet.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung so auszubilden, dass sie einfach und kostengünstig herstellbar ist und einen störungsfreien Betrieb gewährleistet, wobei deren Verwendung auch bei Flüssigkeiten hoher Temperaturen, und zwar insbesondere auch im Frequenzbereich von 5–300 kHz, möglich sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der piezoelektrische Schwingungsaktuator mit dem Gehäuse des Zufuhrkanals über ein im Wesentlichen starres Schwingungsübertragungsglied verbunden ist, dessen Längsachse sich quer zur Schwingungsrichtung des angekoppelten piezoelektrischen Schwingungsaktuators erstreckt.

Durch das Schwingungsübertragungsglied werden die vom piezoelektrischen Schwingungsaktuator erzeugten Schwingungen auf das Gehäuse übertragen; die Wärmeübertragung vom Gehäuse auf den piezoelektrischen Schwingungsaktuator ist aber allein schon durch den räumlichen Abstand und darüber hinaus durch die Länge des Schwingungsübertragungsgliedes entscheidend verringert, so dass auch Flüssigkeiten verarbeitet werden können, deren Temperatur, die sich auf das Gehäuse überträgt, höher als der Curie-Punkt des piezoelektrischen Schwingungsaktuators liegt. Erst dadurch ist es möglich, beispielsweise auch Metallschmelzen zu verarbeiten.

Die durch die Erfindung gegebene Möglichkeit, den Ort der Anordnung des piezoelektrischen Schwingungsaktuators bezüglich des Gehäuses weitgehend frei zu wählen, ermöglicht eine sehr flexible Anpassung an unterschiedliche Anforderungen des Tropfen- oder Sprayerzeugungsprozesses. Insbesondere können die durch den Piezoeffekt gegebenen thermischen Anforderungen erfüllt werden, weil der piezoelektrische Schwingungsaktuator vor Überhitzung geschützt wird.

Es hat sich gezeigt, dass auch Biegeschwingungen ohne wesentlichen Energieverlust über verhältnismäßig große Entfernungen übertragen und in Form von Biegekräften in das Gehäuse des Zufuhrkanals eingeleitet werden können, um die zur Tropfenbildung erforderlichen Druckschwingungen im Zufuhrkanal zu erzeugen.

Vorzugsweise besteht das Schwingungsübertragungsglied aus einem schlecht wärmeleitenden Material; so dass auch die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung stark herabgesetzt ist.

Eine weitere Verringerung der Wärmeübertragung zwischen dem durch die Flüssigkeit aufgeheizten Gehäuse und dem piezoelektrischen Schwingungsaktuator kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreicht werden, dass zwischen dem Gehäuse des Zufuhrkanals und dem piezoelektrischen Schwingungsaktuator eine auf das Schwingungsübertragungsglied wirkende Kühleinrichtung und/oder eine Wärmeabschirmung angeordnet ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert, die in der Zeichnung jeweils stark vereinfacht dargestellt sind. Es zeigt:
1 eine Vorrichtung zur Erzeugung monodisperser Tropfen mit einem piezoelektrischen Schwingungsaktuator, der über einen Biegebalken als Schwingungsübertragungsglied angekoppelt ist und
2 eine Vorrichtung zur Erzeugung monodisperser Tropfen, bei der ein piezoelektrischer Schwingungsaktuator über ein angekoppeltes Schwingungsübertragungsglied mit mehreren Gehäusen von Zufuhrkanälen verbunden ist.
Die in 1 stark vereinfacht dargestellte Vorrichtung zur Erzeugung monodisperser Tropfen weist einen Zufuhrkanal 1 in einem beispielsweise rohrförmigen Gehäuse 2 auf. Dem Zufuhrkanal 1 wird die zu zerstäubende Flüssigkeit über einen Anschluss 3 mit Druck zugeführt. Die Flüssigkeit tritt am entgegengesetzten Ende des Gehäuses 2 durch eine Düsenöffnung 4 einer Düsenwand 5 aus.
Die zur Tröpfchenbildung erforderlichen Druckschwingungen der Flüssigkeit im Zufuhrkanal 1 werden durch einen Schwingungserzeuger 6 erzeugt. Dieser weist bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel einen als Stab ausgebildeten piezoelektrischen Schwingungsaktuator 7 auf, der durch einen elektrischen Signalgenerator 8 zu Längenänderungen in Stablängsrichtung angeregt wird. Der piezoelektrische Schwingungsaktuator 7 ist über einen als Schwingungsübertragungsglied wirkenden Biegebalken 9 mit dem Gehäuse 2 verbunden. Der Biegebalken 9 greift an seinem einen Ende biegesteif am Gehäuse 2 an. Am anderen Ende des Biegebalkens 9 ist der piezoelektrische Schwingungsaktuator so angekoppelt, dass sich die Längsachse des Biegebalkens 9 quer zur Schwingungsrichtung des angekoppelten piezoelektrischen Schwingungsaktuators 7 erstreckt. Die Vorrichtung ist insbesondere für den Einsatz im Frequenzbereich von 5–300 kHz geeignet.
Alle diese Maßnahmen bewirken zusammen mit der räumlichen Trennung des piezoelektrischen Schwingungsaktuators vom Gehäuse 2, dass auch bei verhältnismäßig starker Erhitzung des Gehäuses 2, beispielsweise durch eine Metallschmelze hoher Temperatur, keine störende Erwärmung des piezoelektrischen Schwingungsaktuators 7 eintritt und insbesondere der Curie-Punkt des verwendeten Piezomaterials nicht überschritten wird.
Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel greift der das Schwingungsübertragungsglied bildende Biegebalken 10 an seinen beiden Enden biegesteif an zwei Gehäusen 2, 2' von Zufuhrkanälen 1, 1' an. Der piezoelektrische Schwingungsaktuator 7, der hier entsprechend dem Beispiel nach 1 stabförmig ausgebildet ist und Längsschwingungen erzeugt, ist im mittleren Bereich des Biegebalkens 10 angekoppelt.
Allen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, dass nicht nur die Schwingungsübertragungsglieder, sondern auch die zugeordneten Verbindungen (Schweißnähte, Verschraubungen usw.) als Übertragungseinheit jeweils einen E-Modul aufweisen, wie er metallischen oder keramischen Bauteilen eigen ist.

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung monodisperser Tropfen aus Flüssigkeiten, mit einem Schwingungserzeuger (6), der auf die in einem Zufuhrkanal (1, 1') in einem Gehäuse (2, 2') enthaltene Flüssigkeit einwirkt, mit einer den Zufuhrkanal (1, 1') abschließenden, mindestens eine Düsenöffnung (4) aufweisende Düsenwand (5), wobei der Schwingungserzeuger (6) einen piezoelektrischen Schwingungsaktuator (7) aufweist und der piezoelektrische Schwingungsaktuator (7) im Abstand zum Zufuhrkanal (1, 1') angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Schwingungsaktuator (7) mit dem Gehäuse (2, 2') des Zufuhrkanals (1, 1') über ein im Wesentlichen starres Schwingungsübertragungsglied (9, 10) verbunden ist, dessen Längsachse sich quer zur Schwingungsrichtung des angekoppelten piezoelektrischen Schwingungsaktuators (7) erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungsübertragungsglied (9, 10) aus einem schlecht wärmeleitenden Material besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungsübertragungsglied ein am Gehäuse (2, 2') des Zufuhrkanals (1, 1') biegesteif angreifender Biegebalken (9, 10) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das an dem piezoelektrischen Schwingungsaktuator (7) angekoppelte Schwingungsübertragungsglied (10) mit mehreren Gehäusen (2, 2') von Zufuhrkanälen (1, 1') verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Biegebalken (10) an seinen beiden Enden biegesteif an zwei Gehäusen (2, 2') von Zufuhrkanälen (1, 1') angreift und der piezoelektrische Schwingungsaktuator (7) im mittleren Bereich des Biegebalkens (10) angekoppelt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gehäuse (2, 2') des Zufuhrkanals (1, 1') und dem piezoelektrischen Schwingungsaktuator (7) eine auf das Schwingungsübertragungsglied (9, 10) wirkende Kühleinrichtung und/oder eine Wärmeabschirmung angeordnet ist.