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Die Erfindung betrifft eine technische Lösung zum Zerstäuben viskoser Medien mittels Ultraschall. Sie bezieht sich hierbei auf eine entsprechende Einrichtung mit einer in spezieller Weise gestalteten Sonotrode, als dem wesentlichen Teil der Einrichtung. Bezüglich des Anwendungsgebietes der Vorrichtung bezieht sich die Erfindung sowohl auf die Zerstäubung von Flüssigkeiten als auch auf das Zerstäuben deutlich höherviskoser Medien.
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Stoffe verschiedener Art werden zu unterschiedlichsten Zwecken unter Einsatz verschiedener Technologien zerstäubt. So erfolgt das Zerstäuben von Stoffen insbesondere zum Beschichten von Oberflächen, zum Sprühtrocknen von Produkten oder zur Herstellung von Pulvern. Beispielsweise ist es bekannt, Lacke zum Zweck des Beschichtens zu zerstäuben. Die Sprühtrocknung von Lebensmitteln, wie zum Beispiel von Milch und Aromastoffen, dient insbesondere dazu, deren Haltbarkeit zu verlängern und/oder ihr Gewicht durch den Entzug von Wasser zu reduzieren.
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Im Hinblick auf viskose Medien ist es dabei seit Langem bekannt, diese durch den Einsatz von Ein- oder Mehrstoffdüsen mittels Druckluft oder spezieller Treibgase zu zerstäuben. Druckluft wird zum Beispiel häufig beim Zerstäuben von zur Beschichtung dienenden Lacken eingesetzt. Ferner wird in der Motorentechnik Kraftstoff mittels Einstoffdüsen unter Erzeugung von hohen Drücken in den Einspritzanlagen zerstäubt.
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Darüber hinaus ist es bekannt, viskose Medien mittels Ultraschall zu zerstäuben. So werden beispielsweise Arzneimittel mit Hilfe hochfrequenter Ultraschallwellen zur Erzeugung von Aerosolen zum Zweck ihrer Inhalation zerstäubt.
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Bei der Zerstäubung von viskosen Medien werden häufig sehr hohe Anforderungen an die Gleichmäßigkeit der Zerstäubung gestellt. Hierbei gilt es, die Größe der Tröpfchen, welche bei der Zerstäubung der Medien erzeugt werden, innerhalb eines engen Bereichs möglichst weitgehend konstant zu halten. Zur Erreichung dieses Ziels haben sich in der Praxis Zerstäubungsverfahren als sehr vorteilhaft erwiesen, welche mittels Ultraschall arbeiten. Hierbei wird ein jeweiliges viskoses Medium an einem Element zerstäubt, indem das betreffende Element mittels einer entsprechenden Schwingungsquelle zu mechanischen Schwingungen in einem Frequenzbereich von vorzugsweise 10–160 kHz angeregt wird. Bekannt geworden sind aber auch Ultraschallvernebler, bei welchen zur Erzeugung feinster Tröpfchen eine Zerstäubung mit Hilfe von Schwingungen mit einer Frequenz deutlich oberhalb von 100 kHz bis in den MHz-Bereich hinein erfolgt.
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Zur Zerstäubung viskoser Medien unter Einsatz von Ultraschall im vorstehend erstgenannten Frequenzbereich von 10–160 kHz werden nach dem Stand der Technik unter anderem Sonotroden eingesetzt. Bei diesen handelt es sich um schwingungsfähige, mittels einer entsprechenden Schwingungsquelle erregbare Werkzeuge, welche als Längs- oder Biegeschwinger ausgeführt sein können. Als düsenartige Werkzeuge weisen die Sonotroden mindestens einen Kanal auf, über welchen das oder die zu zerstäubenden viskosen Medien einer Austrittsöffnung zugeleitet werden. Von einer Oberfläche im Bereich dieser Austrittsöffnung löst sich das jeweilige viskose Medium infolge der von dem Werkzeug ausgeführten Schwingungen durch Überwindung der Adhäsionskräfte in Form feiner Tropfen ab, wird also vernebelt beziehungsweise zerstäubt. In den vorgenannten Kanal münden eine oder mehrere Zuführungen ein, über welche das oder die zu zerstäubenden Medien der Sonotrode von außen über Schläuche und dergleichen zugeführt werden.
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Ein Vorteil der Sonotroden besteht im Zusammenhang mit der Ultraschallzerstäubung darin, dass mit ihrer Hilfe eine bezüglich der Tröpfchengröße sehr gleichmäßige Zerstäubung erreicht wird. Gewisse Probleme treten jedoch im Zusammenhang mit der Zerstäubung hochviskoser Medien auf. Diese müssen, um ihre Zerstäubung überhaupt zu ermöglichen und um sie über den feinen Kanal der Sonotrode der zu ihrer Zerstäubung dienenden Oberfläche zuleiten zu können, in vielen Fällen vor der Zuführung zur Sonotrode teilweise über längere Zeiträume hinweg stark erwärmt werden. Jedoch gibt es empfindliche Medien, bei denen sich eine solche länger anhaltende Erwärmung, beispielsweise in einem das betreffende Medium bevorratenden Behälter, nachteilig auf die Eigenschaften dieses Mediums auswirkt.
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Beispielsweise aus der
DE 44 44 525 A1 ist ein Ultraschallzerstäuber bekannt, welcher mit einer Sonotrode arbeitet. Durch die vorgenannte Druckschrift des Standes der Technik wird eine Ausbildungsform einer Sonotrode offenbart, bei welcher unterhalb einer Sonotrodenspitze ein federnd gelagerter Körper mit einer Prallfläche für das aus der Sonotrode austretende Medium angeordnet ist. Dabei wird zwischen der Sonotrode und dem betreffenden Körper ein sich aufgrund der Schwingungen des Körpers periodisch verändernder Spalt erzeugt und hierdurch das Herausdrängen des viskosen Mediums beziehungsweise der Flüssigkeit aus der Sonotrode unterstützt. Zwar ist es denkbar, über die Amplitude, mit welcher der Spalt infolge der Schwingung verändert wird, auch die Tröpfchengröße zu beeinflussen. Jedoch könnte es dabei als Nachteil anzusehen sein, dass dies bei der Lösung nach der
DE 44 44 525 A1 technisch vergleichsweise schwierig mit guter Reproduzierbarkeit zu realisieren sein dürfte. Zu diesem Zweck wäre nämlich eine aufwendige technische Regelung erforderlich, welche zum Beispiel die Ausdehnung der Sonotrode in Folge der Eigenerwärmung oder die Abkühlung durch das Medium berücksichtigen müsste, sofern man eventuelle Vorgaben zur Tröpfchengröße hinreichend genau einhalten wollte. Der insoweit erforderliche Aufwand ist jedoch aus ökonomischer Sicht als nachteilig anzusehen. Als Nachteilig erscheint es ferner, dass mit dem federnd unterhalb der Sonotrode gelagerten Körper permanent ein fester Körper an die Sonotrode gedrückt wird, wodurch eine starke Erwärmung (von vermutlich bis zu mehreren hundert Grad) beider Körper, nämlich der Sonotrode und des unterhalb von dieser federnd gelagerten Körpers, durch die Reibung zu erwarten ist, sofern nicht für eine Kühlung gesorgt wird. Dies dürfte jedoch an dieser Stelle nur vergleichsweise schwierig zu bewerkstelligen sein. Darüber hinaus arbeiten sich die Sonotrode und der federnd gelagerte Körper möglicherweise sehr schnell und stark aneinander ab.
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Aus der
DE 600 25 530 T2 ist eine mit Ultraschall arbeitende Brennstoffeinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, nämlich eine als Ventil wirkende Düse bekannt. Bei dieser Düse wird neben dem Düsenkörper auch der das Ventil wechselweise öffnende und schließende nadelförmige Ventilkörper aktiv mit durch eine entsprechende Schwingungsquelle erzeugten Ultraschallschwingungen beaufschlagt. Hierdurch wird die für das das Öffnen und Schließen des Ventils benötigte Zeit reduziert, so dass eine minimale Öffnungszeit des Ventils erreicht wird und die Einspritzung des Kraftstoffs besser über die eigentliche Öffnungszeit des Ventils verteilt werden kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zum Zerstäuben viskoser Medien bereitzustellen, mittels welcher die vorgenannten Nachteile vermieden werden können. Die hierzu anzugebende Einrichtung soll neben einer konstanten Zerstäubung auch eine gezielte Beeinflussung der Tröpfchengröße und/oder des Sprühbildes – gegebenenfalls, sofern spezielle Anwendungen dies erfordern, auch während des Betriebes – ermöglichen. Sie soll zudem in vorteilhafter Weise das Zerstäuben insbesondere hochviskoser Medien ermöglichen und dabei eine gute Skalierbarkeit aufweisen, so dass hohe Durchsätze erzielt werden können und die Medien dabei vorzugsweise zumindest nicht über einen längeren Zeitraum hinweg in einem Maße erwärmt werden müssen, welches ihren Eigenschaften abträglich ist.
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Die Aufgabe wird durch eine Einrichtung zum Zerstäuben viskoser Medien mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- beziehungsweise Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Einrichtung sind durch die Unteransprüche gegeben.
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Wesentlichstes Element der zur Lösung der Aufgabe vorgeschlagenen Einrichtung ist mindestens eine im Frequenzbereich des Ultraschalls schwingende Sonotrode. Diese wird durch eine hochfrequente Schwingungsquelle zum Schwingen angeregt. Die mindestens eine Sonotrode weist mindestens eine Zuführung für ein zu zerstäubendes Medium auf. Die entsprechende Zuführung mündet in einen Kanal ein, über den wenigstens ein zu zerstäubendes Medium an mindestens eine, vorzugsweise an einer Spitze der Sonotrode ausgebildete Austrittsöffnung geführt wird. Erfindungsgemäß ist die Einrichtung derart ausgebildet, dass bei ihrem Betrieb in den zu der mindestens einen Austrittsöffnung der mindestens einen Sonotrode führenden Kanal eine an der Sonotrode festgelegte Zerstäubernadel eingefügt ist. Dabei ist zwischen der vorgenannten, selbst nicht zum Schwingen angeregten Zerstäubernadel und der Innenwand des Kanals ein Spalt ausgebildet, der zumindest im Bereich der mit dem Kanal verbundenen Austrittsöffnung (an vorzugsweise der Spitze) der Sonotrode mittels der Zerstäubernadel in Form und/oder Größe veränderbar ist.
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Bei den weiteren Betrachtungen wird, soweit nichts anderes ausgeführt ist, von einer Einrichtung ausgegangen, welche eine durch eine hochfrequente Schwingungsquelle angeregte Sonotrode mit einer Austrittsöffnung aufweist. Die Charakterisierung der Einrichtung in den Patentansprüchen umfasst jedoch im Hinblick darauf, dass in diesem Zusammenhang von mindestens einer Sonotrode mit mindestens einer Austrittsöffnung gesprochen wird, sehr unterschiedliche Ausbildungsformen. Hierzu gehören solche, bei denen gegebenenfalls mehrere Sonotroden mit jeweils einer Austrittsöffnung durch jeweils eine Schwingungsquelle zu Schwingungen im Ultraschallbereich angeregt werden. Denkbar ist es aber auch, dass anstelle mehrerer Sonotroden eine Sonotrode mit mehreren, vorzugsweise an entsprechenden Spitzen ausgebildeten Austrittsöffnungen vorgesehen ist, wobei jede der Austrittsöffnungen mit einem Kanal zur Zuführung eines an der jeweiligen Austrittsöffnung zu zerstäubenden viskosen Mediums verbunden ist.
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Der Regelfall wird aber, wie bereits ausgeführt, eine Einrichtung mit einer Sonotrode sein, welche eine Austrittsöffnung und einen mit dieser Austrittsöffnung verbundenen Kanal aufweist. Gleichwohl ist es möglich, auch mit Hilfe einer Einrichtung der letztgenannten Art, also einer Zerstäubungseinrichtung mit einer Sonotrode, gleichzeitig mehrere viskose Medien zu zerstäuben. In diesem Falle münden in den Kanal dieser Sonotrode mehrere Zuführungen ein, über welche die jeweiligen unterschiedlichen viskosen Medien in den Kanal und über diesen der Austrittsöffnung der Sonotrode zur Zerstäubung zugeführt werden. Ferner sei an dieser Stelle angemerkt, dass sowohl der Kanal der Sonotrode oder der Sonotroden als auch die Zerstäubernadel unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen können. Bevorzugt ist dabei ein Kreisquerschnitt, jedoch kommen grundsätzlich auch elliptische, quadratische, rechteckige, dreieckige oder vieleckige Querschnittsformen in Betracht.
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Wie bereits ausgeführt, ist abweichend vom Stand der Technik in den das oder die viskosen Medien zum Zweck der Zerstäubung an die Austrittsöffnung der Sonotrode führenden Kanal, eine selbst nicht zum Schwingen angeregte Zerstäubernadel eingefügt, wobei zwischen dieser und der Innenwand des Kanals ein zumindest im Bereich der Austrittsöffnung der Sonotrode in Form und/oder Größe veränderbarer Spalt ausgebildet ist. Durch die gezielte Veränderung der Form und/oder der Größe des vorgenannten Spaltes ist es dabei möglich, insbesondere die Tröpfchengröße des oder der zerstäubten Medien, aber auch das Sprühbild gezielt zu beeinflussen. Die Beeinflussung, das heißt die Änderung von Form und/oder Größe des Spaltes, erfolgt dabei mittels der Zerstäubernadel. Letzteres kann auf unterschiedliche Weise geschehen, wobei aber die erfindungsgemäße Einrichtung, das heißt insbesondere deren Sonotrode, unabhängig davon jedenfalls in vorteilhafter Weise einen relativ einfachen Aufbau aufweist und gut skalierbar ist. Weitere in jedem Falle bestehende Vorteile sind in einer einfachen Einstellung und gegebenenfalls Regelung der Spaltgröße und/oder Form und damit der Tröpfchengröße und/oder des Sprühbildes zu sehen.
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Entsprechend einer möglichen Ausbildungsform der Erfindung werden die Form und/oder die Größe des zwischen der Zerstäubernadel und der Innenwand des Kanals gebildeten Spaltes durch Änderung der Geometrie der Zerstäubernadel beeinflusst. Entsprechendes ist am einfachsten durch den Wechsel der Zerstäubernadel und die Wahl einer für das jeweils angestrebte Zerstäubungsergebnis geeigneten Geometrie für die Zerstäubernadel möglich. Die Zerstäubernadel kann hierbei im einfachsten Falle in der Weise an der Sonotrode festgelegt werden, dass durch einen Durchbruch in der Sonotrode ein Stift, ein Splint oder dergleichen zur Lagefixierung in eine Ausnehmung oder einen Durchbruch der Zerstäubernadel eingeschoben wird. Die Zerstäubernadel wird hierbei vorzugsweise, jedoch nicht zwingend, am Ort des Schwingungsminimums der Sonotrode festgelegt. Neben der Verwendung eines starren Sicherungselementes, wie eines Stiftes oder Splintes, kommen zur Festlegung der Zerstäubernadel auch elastische oder fadenförmige Mittel in Betracht.
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Eine weitere vorgesehene Möglichkeit zur gezielten Beeinflussung des mittels der Zerstäubernadel ausgebildeten Spaltes besteht in der Veränderung der Position der Zerstäubernadel innerhalb des Kanals, das heißt in einer gezielten Verschiebung der Zerstäubernadel in der bezogen auf die Erstreckung des Kanals axialen Richtung. Zur Realisierung dieser Möglichkeit kann die Zerstäubernadel mittels eines Gewindes in der Sonotrode festgelegt sein. Je nachdem, wie weit die Zerstäubernadel hierbei in die Sonotrode beziehungsweise in deren Kanal eingeschraubt wird, ergeben sich dabei für den zwischen der Zerstäubernadel und der Innenwand des Kanals ausgebildeten Spalt unterschiedliche Formen und/oder Größen. Aber auch durch die Verwendung eines zuvor schon erwähnten fadenförmigen Elementes zum Festlegen der Zerstäubernadel kann auf einfache Weise eine Veränderbarkeit der Position der Zerstäubernadel bewerkstelligt werden, nämlich mit Hilfe der veränderlichen Länge eines zwischen zwei Einspannpunkten angeordneten, die Zerstäubernadel haltenden Fadens oder einer Faser.
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Die Zerstäubernadel oder ein an ihrem Ende angeordneter Kopf weisen entsprechend einer besonders bevorzugten Ausbildungsform eine konkave, das heißt in den Kanal der Sonotrode hineingewölbte oder eine durch andere Formgebung in den Kanal hineinragende Oberfläche auf. Hierdurch wird vermieden, dass sich Teile des oder der zerstäubten Medien an der Spitze der Zerstäubernadel ansammeln und in zeitlichen Abständen in Form größerer Tropfen von der Zerstäubernadel abtropfen.
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Zur Realisierung der Zerstäubernadel kommen je nach Einsatzfall beziehungsweise in Abhängigkeit von der Art des oder der zu zerstäubenden Medien unterschiedliche Materialien in Betracht. Vorzugsweise besteht die Zerstäubernadel im Allgemeinen aus Metall, nämlich einem Edelstahl oder Titan. Beispielsweise zur Zerstäubung von Säuren können aber auch aus Keramik oder Glas bestehende Zerstäubernadeln eingesetzt werden, welche, anders als Metall, säurebeständig sind. Auch eine Ausbildung der Zerstäubernadel aus einem hochfesten Kunststoff kommt aber grundsätzlich in Betracht. Durch die Ausbildung aus Kunststoff können beispielsweise Schwingungen, welche in die Zerstäubernadel eingetragen werden, obwohl diese selbst nicht zum Schwingen angeregt wird, wirkungsvoll gedämpft werden. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, das eventuelle Auftreten von Kavitationen zu vermindern oder gar ganz zu vermeiden, wodurch sich die Standzeit der Einrichtung erhöhen dürfte. Auch in Bezug auf das Zerstäuben aggressiver Medien kann eine Ausbildung der Zerstäubernadel aus Kunststoff vorteilhaft sein.
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Die Funktionen der erfindungsgemäß in den Kanal der Sonotrode eingefügten Zerstäubernadel bestehen in Folgendem:
- – Die Medien so durch die Austrittsöffnung an der Sonotrodenspitze zu leiten, dass die Tröpfchenbildung immer kontrolliert stattfinden kann. Es soll so verhindert werden, dass zum Beispiel zu große Tropfen aus dem Kanal herausgeschleudert werden.
- – Durch die Zerstäubernadel wird ein gleichmäßiger Spalt hergestellt, welcher gewährleistet, dass die austretenden Medien die Sonotrodenspitze gleichmäßig benetzten und so eine gleichmäßige Zerstäubung gewährleistet wird. Dazu wird die Zerstäubernadel so ausgeführt, dass sich an ihr nirgendwo austretendes Medium niederschlagen oder ablagern kann.
Indem die Zerstäubernadel austauschbar oder beweglich, zum Beispiel axial verschiebbar in dem Kanal angeordnet wird, kann auf die Größe und die Geometrie des Spaltes Einfluss genommen werden.
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Folgendes kann durch Veränderungen des Spaltes mittels der Zerstäubernadel, das heißt durch deren Geometrie und/oder Positionierung innerhalb des Kanals beeinflusst werden:
- – die Tröpfchengröße,
- – das Sprühbild,
- – der Volumenstrom.
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Durch das Einbringen der Zerstäubernadel in den Kanal der Sonotrode wird erreicht, dass sich innerhalb der Sonotrode nur wenig Medium befindet. Hieraus resultieren folgende Vorteile:
- – Es können sehr kleine Mengen zerstäubt werden.
- – Es kann sich nur geringe Kavitation ausbilden, was den Verschleiß der Sonotrode verringert.
- – Der Energieeintrag in die Medien kann erhöht werden, was zu einer besseren aber nur kurzzeitigen Erwärmung der Medien führt, wodurch deren Viskosität vorübergehend gesenkt werden kann, was wiederum die Tröpfchenbildung verbessert.
- – Sollen mehrere Medien gleichzeitig zugeführt werden, können diese effizienter homogenisiert werden.
- – Die Zerstäubernadel ermöglicht ein lageunabhängiges Betreiben der Ultraschall-Zerstäuberdüse beziehungsweise Sonotrode. Wird die Zerstäubernadel in eine rotierende Bewegung versetzt, lässt sich das Sprühbild zusätzlich beeinflussen.
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Die Zerstäubernadel weist folgende Eigenschaften auf beziehungsweise kann folgende Eigenschaften aufweisen:
- – Sie kann aus Metall, Keramik, Glas oder Kunststoff bestehen. Vorzugsweise besteht sie aus Metall.
- – Ihre Geometrie wird dem Anwendungszeck angepasst. Sie kann daher sehr verschiedene Formen aufweisen, zum Beispiel stabförmig ausgebildet sein.
- – Die Zerstäubernadel kann in sich geteilt sein und aus mehreren Teilen bestehen, welche miteinander verbunden sind. So kann sie zum Beispiel durch mehrere ineinander gesteckte Röhrchen ausgebildet sein.
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Eine Zentrierung der Zerstäubernadel kann erfolgen durch folgende Maßnahmen erfolgen:
- a) Strömungstechnisch, über eine entsprechende Formgebung der Zerstäubernadel und/oder der Sonotrode.
- b) Mechanisch, über Abstandshalter an der Zerstäubernadel und/oder der Sonotrode.
- c) Durch eine sich ungerichtet passiv drehende Zerstäubernadel, wobei die Drehbewegung hervorgerufen werden kann durch das vorbeiströmende Medium oder mechanisch durch eine Relativbewegung zur Sonotrode, welche durch die Schwingungen der Sonotrode hervorgerufen wird.
- d) Durch eine Kombination der vorgenannten Punkte.
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Neben einer gewissermaßen offline, nämlich zwischen einzelnen Zerstäubungsvorgängen erfolgenden Änderung der Spaltgröße und/oder –form, ist es auch möglich, auf die Tröpfchengröße und/oder das Sprühbild online, das heißt während eines Zerstäubungsvorganges einzuwirken. Dies erfolgt gemäß einer möglichen Ausbildung der erfindungsgemäßen Einrichtung durch eine entsprechende Ansteuerung dazu als Bestandteil der Einrichtung angeordneter Aktuatoren (beispielsweise Elektro- beziehungsweise Linearmotoren), mit deren Hilfe die Zerstäubernadel bewegt und somit ihre Position innerhalb der Sonotrode verändert wird. Beispielsweise zu Versuchs- oder Testzecken, kann dabei die Ansteuerung der Aktuatoren händisch durch Bedienung entsprechender Einstellmittel erfolgen.
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Beim produktiven Einsatz der Einrichtung ist aber eine besonders vorteilhafte Ausbildung dadurch gegeben, dass auf derartige Aktuatoren vorzugsweise im Rahmen einer Regelung Einfluss genommen wird. Dabei werden die Aktuatoren in einen Regelkreis einbezogen, in welchem die Tröpfchengröße und/oder der Volumenstrom des oder der zu zerstäubenden beziehungsweise der zerstäubten Medien und/oder die Geometrie des Sprühbildes als Führungsgrößen verwendet werden. Im Zusammenhang damit sind folgende Regelungen denkbar beziehungsweise Randbedingungen zu berücksichtigen:
- a) Tröpfchengröße und Amplitude der Sonotrode,
- b) Tröpfchengröße und Volumenstrom des durch die Sonotrode hindurchströmenden Mediums,
- c) Tröpfchengröße und Temperatur des durch die Sonotrode strömenden Mediums,
- d) Tröpfchengröße und Viskosität des durch die Sonotrode strömenden Mediums,
- e) Tröpfchengröße und Art des Produktes das mit dem zu zerstäubenden Mediums in Kontakt gebracht werden soll,
- f) Tröpfchengröße und Produktvolumen das mit dem zu zerstäubenden Mediums in Kontakt gebracht werden soll,
- g) Tröpfchengröße und Umgebungstemperatur,
- h) Tröpfchengröße und Geschwindigkeit von an der Sonotrode vorbeiströmenden Gasen,
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Die Techniken zur Erfassung und Auswertung von Signalen und zu deren Umsetzung in Stellgrößen zur Regelung gehören zum Stand der Technik und sollen daher nicht Gegenstand näherer Betrachtungen sein.
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Bekannte Ultraschallzerstäuber arbeiten im Allgemeinen nach einem Prinzip, wonach die mit ihnen bei der Zerstäubung eines viskosen Mediums erzeugten Tröpfchen umso feiner sind, je höher die Frequenz ist mit welcher die der Zerstäubung dienenden Elemente, respektive Sonotroden, schwingen. Das bedingt, dass beim Einsatz der Sonotroden Schwingungen mit Frequenzen bis zu 160 kHz erzeugt werden, wobei aber die Baugröße und die Leistung dieser Elemente stark abnehmen. Dies ist physikalisch bedingt, da die Wellenlänge λ und damit die üblicherweise für die Sonotroden verwendete Länge von λ/2 desto kleiner ist, je höher die Frequenz ist. Je kleiner aber die Wellenlänge ist, desto kleiner wird wiederum die erreichbare Amplitude und desto kleiner fällt dadurch die für den Zerstäubungsvorgang zur Verfügung stehende Leistung (im Allgemeinen 10 Watt und darunter) aus. Ein Vorteil der vorgestellten Erfindung ist es demgegenüber, dass deren Wirkungsweise von diesem Prinzip entkoppelt ist. Dadurch können hochviskose Medien mit viel höherer Leistung, bei zum Beispiel 24 kHz, fein zerstäubt werden.
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Nachfolgend sollen anhand von Zeichnungen Ausführungsbeispiele für die Erfindung gegeben werden. Die entsprechenden Ausführungsbeispiele unterscheiden sich jeweils im Hinblick auf die spezielle Ausbildungsform der Sonotrode als dem wesentlichen Element der Erfindung. Zwar bedarf es zum Zweck der Zerstäubung viskoser Medien mittels einer solchen Sonotrode auch stets einer die Sonotrode zu Schwingungen im Frequenzbereich des Ultraschalls anregenden hochfrequenten Schwingungsquelle. Jedoch wurde in den Zeichnungen auf die Darstellung der als solches bekannten Schwingungsquelle aus Gründen der Vereinfachung verzichtet. Die Zeichnungen zeigen im Einzelnen:
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1a: eine Sonotrode mit einer in deren Schwingungsminimum verriegelten Zerstäubernadel
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1b eine Draufsicht auf die Austrittsöffnung der in der 1a gezeigten Sonotrode,
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2: die Sonotrode nach 1a mit einer anderen, sich in ihrem Kopfbereich im Querschnitt erweiternden Zerstäubernadel,
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3: eine Sonotrode mit einer Zerstäubernadel mit im Kanal veränderbarer Position.
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Die 1a und 1b zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel für eine entsprechend der Erfindung gestaltete Sonotrode 1. Die 1a zeigt die Sonotrode 1 in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht. In der 1b ist die Austrittsöffnung 4 der Sonotrode (mithin nicht die gesamte Sonotrode 1) in einer Draufsicht gezeigt. Die Sonotrode 1 weist bei diesem Ausführungsbeispiel zwei Zuführungen 2, 2‘ auf, über welche der Sonotrode 1 ein zu zerstäubendes viskoses Medium oder aber gegebenenfalls auch unterschiedliche viskose Medien zur Zerstäubung zugeführt werden. Die entsprechenden Zuführungen 2, 2‘ münden in den Kanal 3 der Sonotrode 1 ein, welcher sie mit der Austrittsöffnung 4 der Sonotrode 1 verbindet, an der das oder die Medien im Betrieb der erfindungsgemäßen Einrichtung, also bei zu Schwingungen angeregter Sonotrode 1, zerstäubt werden. In den Kanal 3 der Sonotrode 1 ist entsprechend dem erfindungsgemäßen Grundgedanken eine Zerstäubernadel 5 eingefügt.
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Die selbst nicht zum Schwingen angeregte Zerstäubernadel 5 ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel mittels eines Verriegelungselements 8, beispielsweise eines Splints oder dergleichen, welcher in einen dafür in der Zerstäubernadel 5 ausgebildeten Durchbruch 7 eingeführt wird, im Betrieb der Sonotrode 1 in deren Schwingungsminimum festgelegt. In dem Kanal 3 der Sonotrode 1 sind vorliegend zusätzliche Führungselemente 13, 13‘ angeordnet, mittels welcher die Zerstäubernadel 5 in dem Kanal 3 zentriert wird. Der Kanal 3 weist ebenso wie die Zerstäubernadel 5 vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt auf, wobei aber, wie bereits an früherer Stelle ausgeführt, selbstverständlich auch andere Querschnittsformen, wie beispielsweise eine quadratische Querschnittsform, in Betracht kommen. Bei in den Kanal 3 eingefügter Zerstäubernadel 5 ist zwischen der Zerstäubernadel 5 und der Innenwand des Kanals 3, also um die Zerstäubernadel 5 herum, ein Ringspalt 6 ausgebildet. In diesem Zusammenhang soll (wie im Übrigen auch in den Patentansprüchen) auch für den Fall, dass der Kanal 3 beispielsweise einen quadratischen Querschnitt und somit im Grunde mehrere in Eckbereichen aneinander angrenzende Innenwände aufweist, von einer Innenwand des Kanals 3 gesprochen werden. Der Doppelpfeil oberhalb der Sonotrode deutet an, dass diese durch eine (wie gesagt, nicht dargestellte) Schwingungsquelle zu Schwingungen mit der Frequenz f, nämlich Schwingungen im Ultraschallbereich, angeregt wird.
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Wie bereits ausgeführt und in der 1a entsprechend angedeutet, werden das oder die viskosen Medien bei schwingender Sonotrode 1 im Bereich der Austrittsöffnung 4 zerstäubt. Das Sprühbild und die Größe der bei der Zerstäubung des oder der Medien entstehenden Tröpfchen 16 können durch eine Änderung der Form und/oder Größe des zwischen der Zerstäubernadel 5 und der Innenwand des Kanal 3 ausgebildeten Spaltes 6 gezielt beeinflusst werden. Gemäß dem in der 1a gezeigten Ausführungsbeispiel geschieht dies, indem die in den Kanal 3 eingefügte Zerstäubernadel 5 bezüglich ihrer Geometrie entsprechend der gewünschten Tröpfchengröße und/oder dem gewünschten Sprühbild ausgewählt wird. So ist zum Beispiel durch eine Vergrößerung des Querschnitts der Zerstäubernadel 5 durch die daraus resultierende Verringerung der Größe des Spaltes 6 zwischen Zerstäubernadel 5 und Innenwand des Kanals 3 eine Reduktion der Tröpfchengröße erreichbar. Soll nun also eine Reduzierung der Tröpfchengröße gegenüber der mittels der in der 1 konkret dargestellten Sonotrode 1 entstehenden Tröpfchengröße erfolgen, wird die dargestellte Zerstäubernadel 5 lediglich gegen eine andere Zerstäubernadel mit einem größeren Querschnitt ausgetauscht. Hierzu wird das Sicherungselement 8, respektive der Splint, mittels welchem die Zerstäubernadel 5 an der Sonotrode 1 festgelegt ist, aus dem in der Sonotrode 1 ausgebildeten Durchbruch 9 herausgezogen und die Zerstäubernadel 5 durch die ansonsten in vorzugsweise gleicher Weise, das heißt insbesondere auch mit einem Durchbruch 7 zum Einfügen des Splints ausgebildete Zerstäubernadel 5 mit vergrößertem Querschnitt ausgetauscht.
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Die Zerstäubernadel 5 beziehungsweise die mit der Sonotrode 1 gemäß der 1a verwendbaren Zerstäubernadeln 5 weisen, wie in dem dargestellten Beispiel, an ihrem im Bereich der Austrittsöffnung 4 des Kanals 3 angeordneten Ende eine Stirnfläche 12 mit einer konkaven, in den Kanal 3 hinein gerichteten Wölbung auf. Es hat sich gezeigt, dass sich andernfalls, nämlich insbesondere im Falle einer geraden Ausbildung der Stirnfläche 12, am Ende der Zerstäubernadel 5 größere Tropfen des oder der zerstäubten Medien ausbilden können, welche in zeitlichen Abständen von der Zerstäubernadel 5 abtropfen, so dass hinsichtlich der Tröpfchengröße kein einheitliches Sprühergebnis mehr erzielt wird. Durch die konkave beziehungsweise kehlige Ausbildung des Endes der Zerstäubernadel 5 kann dies vermieden werden.
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Die 2 zeigt nochmals die Ausbildungsform der 1a, wobei hier eine dem gegenüber andere Zerstäubernadel 5 in den Kanal 3 der Sonotrode 1 eingefügt ist. Wie bereits ausgeführt, werden das Sprühbild und/oder die Tröpfchengröße des oder der zerstäubten Medien insbesondere durch die Form beziehungsweise Größe des Spaltes 6 im Kopfbereich 11 der Sonotrode 1, das heißt im Bereich ihrer Austrittsöffnung 4, bestimmt. Demgemäß ist es zur Verringerung der Tröpfchengröße gegenüber dem mit der Sonotrode 1 gemäß der 1a erzielten Sprühergebnis nicht erforderlich, die Zerstäubernadel 5 der Sonotrode 1 nach 1a durch eine Zerstäubernadel zu ersetzen, welche über ihre gesamte Länge einen vergrößerten Durchmesser aufweist. Vielmehr ist es, wie in der 2 ersichtlich, ausreichend, wenn die Zerstäubernadel 5 im Bereich der Austrittsöffnung 4 der Sonotrode 1 einen bezüglich des Querschnitts vergrößerten Kopfbereich 11 aufweist.
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Die 3 zeigt eine Ausbildungsform der erfindungsgemäßen Sonotrode 1, bei welcher die Größe des zwischen der Zerstäubernadel 5 und der Innenwand des Kanals 3 ausgebildeten Spaltes 6 und damit die Größe der bei der Zerstäubung gebildeten Tröpfchen 16 nicht durch den Austausch der Zerstäubernadel 5, sondern durch eine Veränderung von der axialen Lage der Zerstäubernadel 5 innerhalb des Kanals 3 erreicht wird. Hierbei ist die Zerstäubernadel 5 mittels einer Schraubverbindung 10 an der Sonotrode 1 festgelegt. Je nachdem, wie weit die Zerstäubernadel 5 in ein entsprechendes Gewinde der Sonotrode 1 eingeschraubt wird, ändern sich deren Lage im Kanal 3 und damit die Verhältnisse am beziehungsweise im Spalt 6 im Bereich der Austrittsöffnung 4 der Sonotrode 1.
