DE2904861C3 - Piezoelektrischer Flüssigkeitszerstäuber - Google Patents

Piezoelektrischer Flüssigkeitszerstäuber

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Flüssigkeitszerstäuber
— mit einem piezokeramischen Wandlerelement, das einen Biegeteller in Resonanz erregt, bei dem das Wandlerelement 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,
— 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.
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 Heine Düsenöffnungen bedingen, die schutzempfindlich und damit zu störungsanfällig wären.
Zu kleineren Öl- oder Flüssigkeitsdurchsätzen kann man mit einem piezoelektrischen Schwingsystem gelangen, wie es aus der DE-AS 20 32 433 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. Ein solche Halterung ist beispielsweise in der VDl-Zeitschrift, Band 108, Nr. 34, Dez. 66, S. 1674, darstellt.
Es hat sich gezeigt, daß derartige piezoelektrische
H) Schwingsysteme anfällig sind, da die empfindliche Spitzenhaltemng 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 zu schaffen, der mechanisch stabil ist und einen guten Wirkungsgrad aufweist
Die gestellte Aufgabe ist bei einem piezoelektrischen Flüssigkeitszerstäuber der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
— der mit einem Gewinde versehene Bolzen im Bereich der ringförmigen Wandlerelemente wenigstens durch Entfernen der Gewindegänge eine Querschnittsverminderung aufweist,
— eine als Mutter ausgebildete Druckplatte die ringförmigen Wandlerelemente gegen die halteplattenartige Erweiterung drückt,
— der Gewindebolzen am hinteren Ende bis zur Aufnahme einer auf ihn in einem Schwingungsknoten aufgeschraubten Halterung verlängert und der Bolzen zum Zuführen von Zerstäuberflüssigkeit bis zum Biegeteller durchbohrt ist.
Ein derartiger piezoelektrischer Flüssigkeitszerstäuber ist mechanisch stabil, da er auf dem durchgehenden Gewindebolzen aufgebaut ist. Der Gewindebolzen dient zunächst zum Zusammenhalten aller Zerstäuberteile, wie Halteplatte, Wandlerelementen, 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
Ί5 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 Parallelfe-
">o der. 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 Spitzenlagerung 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 einer weiteren Ausgestaltung 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, Zündelelektroden und Justiervorrichtungen.
Es ist an sich bekannt, ein ringscheibenförmiges piezoelektrisches Wandlerelement auf einen Zylinderstutzen aufzusetzen, der nach hinten über das Wandlerelement hinaus verlängert ist Dieser Stutzen taucht in einen Brennstoffbehälter und dient als Ansaugoder Pumpstutzen. Die Halterung erfolgt jedoch im Bereich der Halteplatte mit Zentrierstiften.
Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert Es zeigt
Fi g. 1 einen Schnitt durch den Zerstäuber und
F i g. 2 eine Schaltung des Zerstäuberoszillators.
Der Zerstäuber nach der Erfindung ist auf einem r> Gewindebolzen 1 aufgesetzt. Einstückig mit dem Gewindebolzen 1 sind verbunden eine Halteplatte 3, ein Horn 5 und der Biegeteller 7. Die Teile 1 bis 7 werden vorzugsweise aus Vollmalerial herausgedreht. Aus 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 als Mutter ausgebildeten Druckplatte 15 werden die Ringe 11 und die Elektrode 13 gegen die Halteplatte 3 gepreßt
Auf den nach hinten verlängerten Bolzen 1 ist in einem bestimmten Abstand hinter der Druckplatte 15 ein Abschirmgehäuse 17 mit einem Bodenteil 20 aufgeschraubt Eine als Mutter ausgebildete Halterung so 19 legt das Abschirmgehäuse 17 auf dem Bolzen 1 übar sein Bodenteil 20 durch Kontern fest. Die Halterung 19 ist ihrerseits am rückwärtigen Ende mit einem Gewindestutzen 25 versehen, mit dem der Zerstäuber in einen Düsenstock eingeschraubt ist Auf den Gewinde- !5 stutzen 25 sind noch zwei Isolierringe 27 aufgeschoben, welche der Abschirmung dienen.
In den Bolzen 1, der mit einer durchgehenden Bohrung 21 versehen ist, ist von hinten ein Röhrchen 23 eingeschoben. Das Röhrchen ist mit ihm verlötet oder -to verschweißt. Das Röhrchen 23 greift durch den Gewindestutzen 25 hindurch nach außen.
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 Schwingungsknoten auf. Der eine Schwingungsknoten liegt auf dem Gewindebolzen im Bereich der Halteplatte 3, und der zweite Schwingungsknoten befindet sich auf dem Gewindebolzen im Aufschraubbereich der Halterung 19 und des Bodens 20 der Abschirmung 17. 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, möglichst 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 ausgebildet, 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 Rückkopplungsspannur.g wird um so 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 rechteckförmiger Wechselspannung ansteuern. Der Ausgangswidersisnd 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 Treibertransislors 109 gelangt eine Rückkcipplungsspannung über eine Leitung 113. Die Rückkoppbngsspannung wird dem Sekundärkreis 115 des Transformators 105 entnommen, und zwar als Spannungsabfall über einen gegenüber dem elektrischen Widerstand des Zerstäuberzweipols sehr kleinen Widerstand 117. Die Rückkopplungsspannung ist deshalb ein Maß für den Wechselstrom durch den Zerstäuberzweipol. Ein bedampfter 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: 10n;0,5W
119: 9mH
121: 1 nF
122: 330 Ω
125: 1 kn
126: 18 kn
127: 270 Ω
128: 3,3 kΩ
129: 3,3 kΩ
130: 1 Ω;1 W
131: 1 μΡ
132: 1,5 μΡ
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Piezoelektrischer Flüssigkeitszerstäuber
— mit einem piezokeramischen Wandlerelement, das einen Biegeteller in Resonanz erregt, bei dem das Wandlerelement 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,
— mit als Ringe ausgebildeten piezokeramischen Wand'erelementen, die zentrisch auf den Bolzen aufgesetzt sind, wobei die Wandlerelemente über den Bolzen hinweg gegen die halteplattenartige Erweiterung gedruckt sind,
dadurch gekennzeichnet, daß
— der mit einem Gewinde versehene Bolzen (1) im Bereich der ringförmigen Wandlerelemente (11) wenigstens durch Entfernen der Gewindegänge eine Querschnittsverminderung aufweist,
— eine als Mutter ausgebildete Druckplatte die ringförmigen Wandlerelemente (11) gegen die halteplattenartige Erweiterung (3) drückt,
— der Gewindebolzen (1) am hinteren Ende bis zur Aufnahme einer auf ihn in einem Schwingungsknoten (35) aufgeschraubten Halterung (19) verlängert und der Bolzen (1) zum Zuführen von Zerstäuberflüssigkeit bis zum Biegeteller (7) durchbohrt ist.
2. Piezoelektrischer Flüssigkeitszerstäuber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Aufschraubbereich der Halterung (19) eine sich über die Wandlerelemente (11) hinweg erstreckende Abschirmung (17) festgesetzt ist.
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