DE4441553C2 - Vorrichtung zum Zertropfen einer Flüssigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Zertropfen einer eine Schallge­ schwindigkeit c aufweisenden Flüssigkeit unter Vordruck mit einem Gehäuse, durch das die Flüssigkeit von einem Flüssigkeitseinlaß zu einem Flüssigkeitsauslaß geführt wird und in dem die Flüssigkeit durch geeignete Schwingungsanregung mit einer Frequenz größer als einer Minimalfrequenz f_MIN beaufschlagbar ist, wobei die Schwin­ gung der Flüssigkeit ein Zertropfen der Flüssigkeit an mindestens einer am Flüssig­ keitsauslaß liegenden Austrittsöffnung steuert.

Eine eingangs genannte Vorrichtung ist aus der DE 37 13 253 A1 bekannt. Diese Druckschrift beschreibt eine Ultraschallanlage zum Zertropfen von Kraftstoff in Verbrennungsmaschinen. Der Kraftstoff wird in ein Gehäuse geführt, in dessen Inneren sich ein Schwingungserzeuger befindet. Der zu Schwingungen angeregte Kraftstoff wird aus mehreren Ausgängen entnommen und zu Düsen an mehreren Spritzöffnungen geführt. Der zu Schwingungen angeregte Kraftstoff wird an den Düsen aufgrund der Schwingungen zu einem monodispersen Zerfall angeregt.

Diese spezielle für Kraftstoffe gelehrte Tropfenerzeugung genügt aber für andere Anwendungen in der Industrie den erwünschten technischen Anforderungen nicht, denn in dieser Vorrichtung werden nur sehr große Tropfen mit wenig gut definierten Tropfengrößen erreicht. Für das Kraftstoffzertropfen zum Betrieb eines Verbren­ nungsmotors reichen die so erzeugten Tropfen aber völlig aus.

Für eine Vielzahl technischer Anwendungen, insbesondere Meß- und Kalibrierungsauf­ gaben, werden Tropfen bekannten und konstanten Durchmessers benötigt. Auch in der Serienfertigung, beispielsweise beim Kleben, ist eine möglichst gleichmäßige Belegung von Oberflächen erforderlich, damit eine optimale Haftung bei geringem Klebstoffver­ brauch gewährleistet ist. Eine gleichmäßige Belegung von Oberflächen ist ferner beim Zertropfen von Lacken oder vergleichbaren, in der industriellen Fertigung verwendeten Stoffen aus ähnlichen Gründen erwünscht. Es besteht daher ein großer Bedarf an Geräten zur Erzeugung gleich großer Tropfen mit einstellbarem Durchmesser.

Handelsübliche Geräte arbeiten nach dem Prinzip des Schwingblendengenerators (vibrating orifice generator), bei dem eine Schwingung auf eine Blende aufgebracht wird, der die zu zertropfende Flüssigkeit zugeführt wird. Die Schwingungen auf der Blende regen den Flüssigkeitsstrom zum Zerfall in gleich große Tropfen an, wenn die Frequenzen der Schwingungen geeignet gewählt sind.

Ein solches Gerät ist beispielsweise in der DE 35 24 701 A1 beschrieben. Sein Einsatz für das Kraftstoffzertropfen bei Verbrennungsmaschinen ist jedoch begrenzt, da die Schwingungsanregung direkt an der die Tropfen erzeugenden Blende erfolgt. Dies führt zu Wechselwirkungen mit dem Ansaugrohr des Verbrennungsmotors. Zusätzlich entstehen Einbauprobleme durch den Schwingquarz selbst, der sich wegen des zugrundeliegenden Arbeitsprinzips am Auslaß des Gerätes befinden muß.

Außerdem sind die im Handel erhältlichen Geräte der beschriebenen Bauart durch kleine Querschnitte der Flüssigkeitszuführleitungen gekennzeichnet. Dadurch benötigt das Gerät nach der Inbetriebnahme lange Zeit, die sogar bis zu 10 Minuten betragen kann, bis sich ein stabiler stationärer Betriebszustand eingestellt hat.

Das verfügbare kleine Flüssigkeitsreservoir begrenzt außerdem die mögliche Betriebs­ dauer für viele Anwendungen auf 30 min. Dadurch ist die Anwendbarkeit solcher Geräte in der industriellen Fertigung sehr begrenzt. Weiter stellt ihr hoher Preis einen nicht vernachlässigbaren Nachteil dar.

Wie aus der vorangehenden Diskussion deutlich wird, liegt die Hauptschwierigkeit bei handelsüblichen Geräten darin, daß die Schwingungsanregung an der Austrittsöffnung erfolgt. Bei der Vorrichtung des eingangs genannten Stands der Technik ist es jedoch möglich, die Schwingungen weitab von der zertropfenden Austrittsöffnung aufzubrin­ gen. Jedoch ist aus der genannten Druckschrift nicht erkennbar, wie dieses Gerät für geeignetes Zertropfen bezüglich Reproduzierbarkeit der Tropfengröße und Rate im großindustriellen Anwendungsbereich nutzbar ist.

Ähnliche Vorrichtungen, die keine direkte Schwingungsanregung der Blende beinhal­ ten sind aus den folgenden Druckschriften bekannt:
Die DE 22 59 521 C3 zeigt ebenfalls einen Schwinger in einem Gehäuse, der den Ultraschall auf eine Austrittsöffnung fokussiert. Auch hier ist nur eine begrenzte Tropfengröße möglich, da die Fokussierungseigenschaften stark von der Wellenlänge abhängen. Ein Austausch der Düsenpartie bei Änderung von Prozeßparametern ist aber sehr kompliziert, so daß dieser Tropfengenerator nur für spezielle Anwendungen optimierbar ist. Die Druckschrift lehrt die Anwendung für Erosionsversuche an Metallen. Für die vorgenannten industriellen Anwendungen wird diese Vorrichtung kaum wirtschaftlich einsetzbar sein.

Bei den in den Druckschriften DE 39 12 524 A1, SU 11 71 117 A und der SU 13 88 104 A1 beschriebenen Vorrichtungen werden Schwingungen direkt oberhalb des Flüssigkeitsauslasses in die Flüssigkeit eingebracht. Dadurch werden aber beispielswei­ se die genannten Einbauschwierigkeiten nicht merklich reduziert. Weiter werden gemäß den Druckschriften zum Zertropfen auch empfindliche Kapillaren eingesetzt. Diese können sich leicht zusetzen, und verhindern ebenfalls eine stabile, gleichmäßige Tropfenerzeugung.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, die reproduzierbare Tropfengrößen variabel einstellbaren Durchmessers bei gleichzeitig geringem Ferti­ gungsaufwand ermöglicht.

Ausgehend vom gattungsgemäßen Stand der Technik wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Schwingungsanregung ein Schwingungserzeuger außerhalb der Flüssigkeit angeordnet ist, dessen Schwingungen in einem größeren Abstand als c/(2f_MIN) von der mindestens einen Austrittsöffnung über das Gehäuse zwischen Flüssigkeitseinlaß und Flüssigkeitsauslaß in die Flüssigkeit eingekoppelt sind, und daß bei der Vorrichtung ferner das Innere des Gehäuses so ausgestaltet ist, daß eine laminare Strömungsführung auftritt sowie transversale Schwingungsmoden der Flüssigkeit unterbunden sind.

Unerwarteterweise mußte zur Lösung der Aufgabe nicht der gegenwärtig industriell zur Erzeugung von gleichen Tropfengrößen über Schwingungen einer Blende verwen­ dete Stand der Technik herangezogen werden. Dagegen liefert der eingangs genannte nachteilige Stand der Technik eine Lösung, wenn die erfindungsgemäßen Merkmale berücksichtigt werden. Dadurch ergibt sich in vorteilhafter Weise ein wesentlich einfacherer Aufbau, der zugleich auch die vorgenannten Einbauschwierigkeiten vermeidet, da sich der Schwingungserzeuger bei einer Vorrichtung gemäß der Erfindung weitab von dem Ort des Zerfalls der Flüssigkeit in Tropfen anordnen läßt.

Dies ist erfindungsgemäß durch die Erkenntnis möglich geworden, daß es völlig ausreichend ist, die Schwingungen so weit von der Austrittsöffnung entfernt einzukop­ peln, daß sich mehr als die Hälfte der Schallwellenlänge c/f bei Anregung mit der Frequenz f zwischen dem Schwingungserzeuger und dem Zertropfungsort befinden kann, wenn stehende Wellen in der Flüssigkeit erzeugt werden, deren Amplitude an der Austrittsöffnung praktisch gleich der am Ort der Schwingungseinkopplung ist.

Dadurch, daß sich der Schwingungserzeuger außerhalb des Gehäuses befindet, kann dieser die Strömung nicht stören. Störungen einer gleichmäßigen Strömung könnten andernfalls zu Totwasserzonen und Zirkulationen führen. Derartige Strömungsunsta­ bilitäten und das dadurch verursachte ungleichmäßige Zertropfen sind aufgrund des erfindungsgemäßen Merkmals ausgeschlossen. Aus dem gleichen Grund wird bei der Gestaltung des Innenraums des Gehäuses darauf geachtet, daß bei praxisgerechten Betriebsbedingungen eine laminare Strömung der Flüssigkeit erreicht wird.

Weiter ist das Gehäuse senkrecht zum Flüssigkeitsstrom so gestaltet, daß transversale Schwingungen unterbunden sind. Wie aus der Schwingungslehre bekannt ist, können bei einem dreidimensionalen Resonator unterschiedliche Schwingungsmoden auftreten, die je nach Art der transversalen Schwingungen unterschiedliche longitudinale Schwingungsmoden zur Folge haben. Bei Unterbindung derartiger transversaler Schwingungen wird die Flüssigkeit nur in einer Richtung, und zwar in Strömungsrich­ tung, angeregt, so daß auch die an der Austrittsöffnung auftretenden Flüssigkeits­ schwingungen sehr stabil sind. Dies fördert die Gleichmäßigkeit der Tropfenerzeugung besonders.

Außerdem ergibt sich ein weiterer Vorteil aufgrund der Unterdrückung transversaler Schwingungen. Beim Auftreten transversaler Schwingungen würde sich nämlich ein Schwingungsprofil am Flüssigkeitsauslaß ergeben, das sich als Überlagerung von Besselfunktionen bzw. bei stark von runden Querschnitten abweichenden Formen als Summe von noch komplizierteren Funktionen darstellen läßt. Das Schwingungsprofil in Transversalrichtung auf der Blende bei Auftreten transversaler Schwingungskompo­ nenten wäre dann nicht konstant. Die Unterdrückung transversaler Schwingungen erlaubt dagegen ein gleichmäßiges Schwingungsprofil am Flüssigkeitsauslaß, so daß für höhere Tropfraten, beispielsweise, weil eine größere Klebermenge beim Kleben oder mehr Kraftstoff bei Betrieb eines Motors benötigt wird, mehrere Austrittsöffnun­ gen am Flüssigkeitsauslaß vorgesehen werden können.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist am Flüssigkeitsauslaß eine mit der mindestens einen Austrittsöffnung versehene Blende oder Düse angeordnet.

Wie aus dem Stand der Technik bekannt, kann unter anderem als Austrittsöffnung auch eine Kapillare verwendet werden. Die betreffend der Ausbildungsart der Aus­ trittsöffnung gegenüber dem Stand der Technik getroffene Auswahl hat den Vorteil, daß die Verstopfungsgefahr verringert ist. Durch die Verwendung von Blenden und Düsen statt Kapillaren wird also ebenfalls eine sehr gleichmäßige Tropfenerzeugung sichergestellt.

Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind die Blenden auswechselbar am Gehäuse angeordnete Blendenplättchen, insbesondere mit Mikrobohrungen versehene Pinhole-Plättchen oder lasergebohrte Plättchen.

Aufgrund der Ausbildung der Blenden als dünne Plättchen ist die Verstopfungsgefahr gering. Außerdem ist es durch dünne Plättchen möglich, eine unabhängig von den Abmessungen des Gehäuses senkrecht zur Strömungsrichtung gleichmäßige Längen­ abmessung in Strömungsrichtung vorzusehen. Das hat eine gleichmäßige Schwin­ gungsanregung und eine bei mehreren Austrittsöffnungen gleiche Tropfenbildung an den verschiedenen senkrecht zur Strömungsrichtung angeordneten Öffnungen zur Folge.

Aufgrund der Auswechselbarkeit ist eine mögliche Verstopfung bei längerem Betrieb leicht zu beseitigen, da die Blendenplättchen nicht mit dem Gehäuse integriert sind.

Pinhole-Plättchen oder lasergebohrte Plättchen sind heute für verschiedene Anwen­ dungen kommerziell verfügbar. Durch die Massenherstellung ist der Preis für solche Blendenplättchen gering. Dies wirkt sich besonders vorteilhaft auf die industrielle Einsetzbarkeit der Vorrichtung aus. Außerdem gestatten die angewandten Techniken zur Herstellung dieser Blendenplättchen eine sehr reproduzierbare Lochgröße, weshalb in vorteilhafter Weise auch mehrere Löcher in den Blenden zur Erhöhung der erreich­ baren Tropfenanzahl pro Zeit möglich sind, ohne daß die Reproduzierbarkeit in der Tropfengröße verringert ist.

Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist das Gehäuse ein gerades Rohr mit kreisförmigem Querschnitt, an dessen einem Ende der Flüssigkeits­ einlaß und an dessen anderem Ende der Flüssigkeitsauslaß vorgesehen ist.

Mit dieser Gehäuseausbildung ist ein besonders einfacher Aufbau möglich, durch den das Gehäuse kostengünstig fertigbar ist, da Rohre unterschiedlicher Außen- und Innendurchmesser in verschiedensten Ausführungen als Massenware im Handel erhältlich sind. Der kreisförmige Querschnitt eignet sich besonders vorteilhaft gegen­ über anderen Querschnittsformen zur Unterdrückung transversaler Schwingungen:
Einerseits soll die Querschnittsfläche so groß wie möglich sein, da dies die Konstanz des Flüssigkeitsstromes und damit die Gleichmäßigkeit bezüglich der Tropfenerzeu­ gung fördert. Die Abmessungen senkrecht zur Strömungsrichtung, wie hier der Radius bei der Kreisform, sind andererseits aber so gering wie möglich auszulegen, damit transversale Schwingungen so gut wie möglich unterdrückt werden. Der gemäß der Weiterbildung verwendete kreisförmige Querschnitt stellt bezüglich beider Anforde­ rungen das Optimum dar.

Außerdem ist die gerade Form des Rohres besonders zur wirkungsvollen Unterdrüc­ kung transversaler Schwingungen in der Nähe der Blende geeignet, denn transversale Schwingungen, die bei anderen Gehäuseformen durch Reflexion an den Gehäusewän­ den entstehen könnten, treten hier gar nicht auf. Bei anderen Gehäuseformen müßten derartige Anteile durch spezielle Fokussiereinrichtungen für die Schwingungen, beispielsweise durch Überlagerung mittels destruktiver Interferenz, ausgeglichen werden. Derartige Maßnahmen entfallen bei einem geraden Rohr. Die gemäß der Weiterbildung verwendete Gehäuseform fördert somit vorteilhafterweise den einfachen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Die transversalen Schwingungen könnten auch durch besondere Ausgestaltung der Gehäusewand, beispielsweise durch eine schwingungsdämpfende Beschichtung, unterdrückt werden, oder dadurch, daß der verwendete oder ein anderer Schwin­ gungserzeuger so angeordnet wird, daß die Wand in Gegenphase mit möglichen transversalen Schwingungen der Flüssigkeit angeregt wird. Eine vorzugsweise Weiterbildung der Erfindung ermöglicht aber einen besonders einfachen Aufbau durch Wahl der Abmessungen. Gemäß dieser ist die Vorrichtung mit Frequenzen unterhalb einer Maximalfrequenz f_MAX betreibbar, und der Innendurchmesser des Rohres wird geringer als c/f_MAX gewählt. Bei dieser Weiterbildung können also transversale Schwingungen durch die geometrischen Abmessungen gar nicht erst entstehen, so daß weitere Maßnahmen zum Unterbinden transversaler Schwingungskomponenten vorteilhafterweise unnötig sind.

Bei sehr hohen Frequenzen und bei Verwendung von Flüssigkeiten mit sehr geringer Schallgeschwindigkeit müßte der Durchmesser allerdings sehr klein gewählt werden. Es ist dann zu befürchten, daß die Gleichmäßigkeit der Tropfenerzeugung durch den kleinen Durchmesser, weil der Strömungswiderstand erhöht ist oder das Rohr schneller verstopft, negativ beeinflußt wird.

Dies ist vermeidbar, wenn der Innendurchmesser des Rohres gemäß einer bevorzugten Weiterbildung so gewählt wird, daß er größer als 1 mm ist und insbesondere 4 mm beträgt. Dieser Durchmesser erlaubt dann bei den meisten gebräuchlichen Flüssigkeiten eine ausreichende Flußrate. Die transversalen Schwingungen der Flüssigkeit werden mittels der geometrischen Abmessungen dann bei praktisch verwendbaren Frequenzen bis zu mehreren 100 kHz bei üblichen Schallgeschwindigkeiten in Flüssigkeiten wirkungsvoll unterdrückt.

Diese Auswahl des Innendurchmessers hat auch noch weitere positive Auswirkungen in Bezug auf den praktischen Einsatz, da der Abstand der Schwingungseinkopplung wie beschrieben erfindungsgemäß von der Frequenz und der Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit abhängt. Um den Aufwand für den Schwingungsgenerator gering zu halten, ist außerdem ein Frequenzbereich, dessen Grenzen f_MIN und f_MAX durch ein Verhältnis f_MIN/f_MAX ungefähr 10-20 bestimmt sind, zweckmäßig. Der gemäß der Weiterbildung angegebene Rohrdurchmesser garantiert deswegen auch Längenabmes­ sungen des Gehäuses in der Größenordnung von einigen Dezimetern. Dies sind handliche Größen, die auch einen entsprechend großen Abstand des Schwingungser­ zeugers von der Blende bzw. Düse gewährleisten. Dadurch ist zum Beispiel ein einfacher Einbau der Vorrichtung zur Kraftstoffversorgung in einem Motor möglich. Weiter wird der zu erwartende negative Temperatureinfluß auf den Schwingungser­ zeuger bei der Aufbringung von Tropfen auf sehr heißen Oberflächen vernachlässigbar. Für den letztgenannten Fall steht sogar noch genügend Platz zur Verfügung, damit die Wärmestrahlung durch einen zusätzlichen Schirm oder eine zusätzliche Kühlung von dem Schwingungserzeuger ferngehalten werden kann.

Die Zuführung von Flüssigkeit zum Gehäuse erfolgt zur Erhöhung der Gleichmaßigkeit und der Reproduzierbarkeit der Tropfenerzeugung zweckmäßigerweise möglichst kontinuierlich. Um dies sicherzustellen, sieht eine bevorzugte Weiterbildung vor, daß der Flüssigkeitseinlaß für Anschlußleitungen großer Querschnitte, insbesondere mit Durchmessern größer gleich 6 mm, ausgestaltet ist. Bei praktischen Versuchen hat sich gezeigt, daß dieser Durchmesser für einen genügend stabilen Betrieb mit Wasser oder leichten Ölen völlig ausreichend ist.

Aus dem genannten Durchmesser von 6 mm ergibt sich zusammen mit dem Innen­ durchmesser von 4 mm des oben genannten Rohres auch der Vorteil, daß der Außen­ durchmesser des Rohres gleich dem Innendurchmesser der Anschlußleitung gewählt werden kann. Dann ist es möglich, den Anschluß bei nicht zu hohen Drücken auf einfache Weise mit einer Schraubklemme zu befestigen. Das verringert insbesondere den Aufwand zur Fertigung des Gehäuses, wodurch die Erfindung für den großtechni­ schen Einsatz, insbesondere aus Kostengründen, in erhöhtem Maße verwertbar ist.

Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist der Abstand des Ortes der Schwingungseinkopplung von der mindestens einen Austrittsöffnung größer als 100 mm und beträgt insbesondere 140 mm. Die genannten Abstände beruhen auf prakti­ schen Versuchen. Es hat sich gezeigt, daß bei diesem Abstand für verschiedene Flüssigkeiten, wie Wasser und leichten Ölen, über einen weiten Frequenzbereich von 8 kHz bis 100 kHz verschiedene Tropfengrößen und Raten reproduzierbar einstellbar sind.

Bei den folgenden beiden bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung wurde vor allem der gleichmäßigen Flüssigkeitsversorgung Aufmerksamkeit geschenkt.

Bei der ersten diesbezüglich zu nennenden Weiterbildung ist zur Zufuhr der Flüssigkeit ein Reservoir einer Größe vorgesehen, die einen gleichmäßigen Betrieb über mehrere Tage erlaubt. In der Praxis hat sich gezeigt, daß dafür Reservoirs in der Größenord­ nung zwischen 1 l bis 20 l völlig ausreichen. Derartige Volumina von Reservoirs sind leicht zu verwirklichen, garantieren aber den stabilen Betrieb über Tage, im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem teilweise sogar nur Betriebszeiten von maximal 30 min erreicht werden. Die gemäß der Weiterbildung erzielbare lange Betriebszeit macht sich insbesondere im industriellen Einsatz vorteilhaft bemerkbar.

Bei der zweiten bevorzugten, die Flüssigkeitszufuhr betreffenden Weiterbildung ist eine kontinuierlich arbeitende Pumpe vorgesehen. Wie das Reservoir kann auch eine kontinuierlich arbeitende Pumpe einen hinreichend gleichmäßigen Betrieb über Tage garantieren.

Zum Ausgleich von Druckschwankungen, die durch den Pumpvorgang entstehen können, ist gemäß einer Weiterbildung auch ein Pufferbehälter zwischen Pumpe und Flüssigkeitseinlaß vorgesehen. Dadurch wird die Gleichmäßigkeit der Tropfenerzeu­ gung weiter erhöht.

Falls jedoch direkt gepumpt werden soll, ist besonders auf den Gleichlauf zu achten. Gemäß einer vorzugsweisen Weiterbildung ist die Pumpe eine Zahnradpumpe oder Drehkolbenpumpe mit einer höheren Genauigkeit als 5% und insbesondere 1% Genauigkeit bezüglich der geförderten Flüssigkeit pro Umdrehung. Mit derartigen Pumpen wurde in der Praxis eine ausreichend gleichmäßige Flüssigkeitszufuhr erreicht. Insbesondere ließ sich mit Zahnradpumpen eine besonders gleichmäßige Flüssigkeits­ zufuhr sicherstellen.

Um die Gleichmäßigkeit und Reproduzierbarkeit der Tropfenerzeugung einer erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung weiter zu erhöhen, ist eine Entlüftungseinrichtung im Gehäuse vorgesehen. Aufgrund dieser ist es möglich, die Vorrichtung vor Betrieb mit der Flüssigkeit zu durchspülen, um Luft und Verunreinigungen aus dem Gehäuse zu beseitigen. Dann wird schon bei Beginn des Zertropfens eine gleichmäßige und reproduzierbare Tropfengröße und Rate erzielt. Lange Anfahrzeiten von 10 min, wie aus dem Stand der Technik bekannt, entfallen damit.

Vorzugsweise ist gemäß einer weiterführenden Weiterbildung der Erfindung eine Steuereinrichtung vorgesehen, welche die Entlüftungseinrichtung beim Anfahren der Vorrichtung öffnet. Durch die Steuereinrichtung erfolgt das Entlüften automatisch, und es wird vermieden, daß ein Benutzer der Vorrichtung das Entlüften vor Inbetriebnah­ me vergißt, wodurch dann beim großindustriellen Einsatz Ausschuß produziert werden könnte. Mit Hilfe des Merkmals dieser Weiterbildung wird also ebenfalls der sichere reproduzierbare Betrieb gewährleistet.

Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, daß die Schwin­ gungseinkopplung in Strömungsrichtung über eine das Gehäuse umgebende Schulter erfolgt. Über die Schulter lassen sich Schwingungen besonders effektiv in die Flüssig­ keit einkoppeln. Als Gehäuseformen ohne Schulter verwendet wurden, haben sich dagegen bei praktischen Versuchen extreme Schwierigkeiten bezüglich der Schwin­ gungseinkopplung ergeben.

Dadurch, daß die Schulter das Gehäuse umgibt, wird die Schwingung auch allseitig auf das Gehäuse aufgebracht. Damit werden die Schwingungen in Strömungsrichtung sehr gleichmäßig und effektiv in die Flüssigkeit eingekoppelt. Wie aus den vorstehenden Diskussionen schon deutlich wurde, trägt dieses Merkmal somit zur Gleichmäßigkeit der Tropfenerzeugung bezüglich Durchmesser und Rate wesentlich bei.

Die Schwingungsanregung erfolgt über die Schulter in Strömungsrichtung. Dadurch werden die erwünschten longitudinalen Schwingungen ebenfalls besonders effektiv angeregt.

Gemäß einer vorzugsweisen Weiterbildung enthält der Schwingungserzeuger einen Quarzschwinger. Ein Quarzschwinger läßt eine flächenmäßig wesentlich homogenere Schwingungsanregung zu, als beispielsweise bei einer magnetischen Schwingungsan­ regung mit vertretbarem Aufwand möglich wäre. Dies erlaubt ebenfalls bei einfachem Aufbau eine gleichmäßige Schwingungsübertragung auf die Flüssigkeit.

Vorzugsweise ist gemäß einer Weiterbildung für das Erzeugen der Schwingungen ein Signalgenerator für rechteckige Schwingungen, insbesondere in einem Frequenzbereich von 8 kHz bis 100 kHz, vorgesehen.

Zur reproduzierbaren Tropfenerzeugung sollten die Oberwellen der anregenden Frequenz möglichst gut bestimmt sein, damit sich die Schwingungen immer in gleicher Weise ausbilden. Technisch einfach zu realisierende Generatoren zur Anregung einer Quarzschwingung mit definiertem Oberwellengehalt sind Sinus- und Rechteckgenera­ toren.

Der Fachmann würde Signalgeneratoren mit sinusförmiger Schwingungsform aufgrund ihrer Oberwellenfreiheit vorziehen, damit eine Anregung von transversalen Schwin­ gungsmoden aufgrund von Oberschwingungen vermieden wird. Unerwarteterweise hat sich aber gezeigt, daß mit rechteckförmiger Anregung ein wesentlich effektiveres Zertropfen erreicht wird. Die physikalischen Grundlagen für diesen unerwarteten Effekt sind unbekannt. Zur Erklärung könnte vielleicht die höhere Energie im Puls dienen, die bei Rechteckschwingungen effektiver in die Flüssigkeit eingebracht wird. Andererseits ist der Mechanismus des Zertropfens theoretisch physikalisch nicht gut erfaßt. Es ist deshalb auch denkbar, daß das Zertropfen selbst durch Rechteckpulse günstig beeinflußt wird.

Der Frequenzbereich von 8 kHz bis 100 kHz ergab sich aus praktischen Versuchen und ist auch durch die weiter oben angegebenen Abmessungen bestimmt. Dieser Wahl liegen typische Schallgeschwindigkeiten in Flüssigkeiten im Bereich von 1000-2000 m/s zugrunde.

In diesem Frequenzbereich können Schwingungen technisch einfach erzeugt werden. Deshalb ist der Aufwand für die Vorrichtung auch aufgrund des gewählten Frequenz­ bereichs niedrig.

Die Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 ein Tropfengenerator für eine Vorrichtung, die nachfolgend als Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben wird;

Fig. 2 eine schematische Zeichnung der gesamten Vorrichtung.

In Fig. 1 ist ein Teil der Vorrichtung gezeigt. Die Ausgestaltung dieses Teils bestimmt wesentlich das Zertropfen von Flüssigkeiten. Es wird auch als Tropfengenerator 1 bezeichnet.

Der Tropfengenerator 1 besteht beim Ausführungsbeispiel aus einem rohrförmigen Gehäuse 2, mit einem zylindrischen Innenraum 3, dessen Länge wesentlich größer als der Durchmesser ist.

Die Flüssigkeit wird am rechten Ende bezüglich Fig. 1 über einen Flüssigkeitseinlaß 4 zugeführt. Zur Befestigung eines geeigneten, die Flüssigkeit leitenden Rohres oder Schlauches ist ein Anschluß 5 vorgesehen. Der Anschluß 5 ist beim Ausführungsbei­ spiel für 6 mm Schläuche ausgelegt. Dieser Schlauchdurchmesser erlaubt eine gleich­ mäßige Zufuhr von Flüssigkeit.

Ein Flüssigkeitsauslaß 6 befindet sich am gemäß Fig. 1 linken Ende des Gehäuses. Dort ist eine Blende 7 angeordnet. Im Ausführungsbeispiel wird die Blende 7 mit einer Kappe 8 auf dem Außendurchmesser des Gehäuses 2 festgehalten, die mit einer Überwurfmutter 9 am Gehäuse 2 fixiert ist. Diese Konstruktion am Flüssigkeitsauslaß 6 erlaubt einen schnellen Wechsel der Blende 7. Dadurch kann die Vorrichtung schnell und auf einfache Weise an spezielle Anforderungen bezüglich Tropfengröße und Tropfrate angepaßt werden.

Die Flüssigkeit wird über den Flüssigkeitseinlaß 4 eingeführt und steht unter Druck an den Blendenöffnungen der Blende 7 an. Die Blende 7 ist als Blendenplättchen ausge­ führt. Dieses kann eine oder mehrere Öffnungen zur Tropfenerzeugung haben. Die Blendenöffnungen waren in einigen Versuchsläufen mit der als Ausführungsbeispiel dienenden Vorrichtung sehr klein, mit Durchmessern von nur 20 Mikrometern. Wegen der guten Reproduzierbarkeit bezüglich der Formen der Blendenöffnungen und damit der Tropfengröße ist es empfehlenswert, solche kleinen Blendenöffnungen als Pinholes auszubilden oder mittels Laserbohrung in die Blendenplättchen einzubrin­ gen. Im Handel sind auch Materialien mit definierter Anzahl und Größe von laserge­ bohrten Löchern oder Pinholes erhältlich, so daß es auch günstig ist, die Blendenplätt­ chen aus diesen auszuschneiden oder auszustanzen.

Um den Innenraum schnell entlüften zu können, ist ein Entlüftungsanschluß 10 vorgesehen, durch den der Tropfengenerator 1 vor Inbetriebnahme entlüftet werden kann. Der Entlüftungsanschluß 10 führt über einen Ringspalt 11 zu einer in der Nähe der Blende 7 liegenden Entlüftungsbohrung 12. Diese ist zweckmäßigerweise nahe beim Flüssigkeitsauslaß 6 vorgesehen, damit der Innenraum 3 des Gehäuses möglichst wirkungsvoll entlüftet werden kann. Mit Hilfe der Entlüftung über den Entlüftungsan­ schluß 10 und den Flüssigkeitseinlaß 4 ist auch ein Durchspülen des Tropfengenera­ tors 1 möglich. Beim Durchspülen wird der Tropfengenerator 1 gereinigt. Das ist beispielsweise nach Auswechseln der zu zertropfenden Flüssigkeit gegen eine andere zweckmäßig.

Das Zertropfen der im Innenraum anstehenden Flüssigkeit wird über einen weitab von der Blende 7 am Gehäuse 2 angeordneten Quarzschwinger 13 gesteuert. Der Quarz­ schwinger 13 ist zwischen zwei Elektroden 14 und 15 befestigt. Dabei wirkt die Elektrode 14 bei der Schwingungserzeugung als Gegengewicht. Die Schwingungen werden auf die andere Elektrode 15 übertragen. Die Elektrode 15 dient nicht nur zur Schwingungsübertragung auf die Flüssigkeit sondern auch zur Befestigung des Quarzschwingers 13 am Gehäuse 2 mit Hilfe eines Gewindes.

Um die Schwingungen in Längsrichtung effektiv auf die Flüssigkeit zu übertragen, ist eine Schulter 16 am Gehäuse vorgesehen, gegen welche die Elektrode 15 anliegt. Die Schulter 16 umgibt das Gehäuse 2 vollständig, wodurch eine gleichmäßige Schwin­ gungsanregung transversal zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit erfolgt.

Bei Versuchen mit einem Tropfengenerator 1 ohne die Schulter 16 konnten die Schwingungen in die Flüssigkeit nicht effektiv genug eingekoppelt werden. Das zeigt, daß die Schulter 16 der Ort ist, an dem die Schwingungen beim Ausführungsbeispiel eingekoppelt werden. Der Abstand der Schulter 16 von der Blende 7 bestimmt also wesentlich die Schwingungsfrequenzen zur Anregung der Flüssigkeitsschwingungen.

Die zwischen Blende und Quarz im Innenraum 3 befindliche Flüssigkeit bildet das Ausbreitungsmedium eines Resonators. Der Innenraum 3 hat nur einen Durchmesser von 4 mm. Das bedeutet, bei Frequenzen unter 100 kHz und Schallgeschwindigkeiten c in der Flüssigkeit größer als 10³ m/s, also bei Wellenlängen über 1 cm, können transversale Schwingungen der Flüssigkeit nicht angeregt werden und es treten nur longitudinale Schwingungen auf. Durch die rein longitudinale Schwingungsanregung im Innenraum 3 wird eine besonders gute Gleichmäßigkeit und Reproduzierbarkeit der Tropfenerzeugung erreicht.

Die Schwingungsanregung erfolgt über die gesamte Oberfläche der Blende 7 gleich­ maßig. Dadurch ist auch eine gute Reproduzierbarkeit von Tropfen, die in verschiede­ nen voneinander beabstandeten Öffnungen gleicher Größe in der Blende 7 erzeugt werden, sichergestellt.

Die Flüssigkeit wird besonders effektiv zur Schwingung angeregt, wenn Resonanz von der über den Quarzschwinger 13 eingekoppelten Schwingung mit der Flüssig­ keitsschwingung erreicht wird. Im stationären Zustand, also wenn die Flüssigkeit ruht, ist die erste Resonanzschwingung durch die Hälfte der durch c/f berechneten Wellen­ länge gegeben. Dies ergibt bei Frequenzen über ungefähr 10 kHz und einer Schallge­ schwindigkeit von ungefähr 1000 m/s einen minimalen Abstand von 50 mm zwischen der Schulter 16, dem Ort der Schwingungseinkopplung, und der Blende 7. Zum Erzielen von Resonanz kann der Abstand aber ein ganzzahliges Vielfaches dieses Wertes sein, also 50 mm, 100 mm, 150 mm usw.

Bei dem Ausführungsbeispiel wurde ein Abstand von 140 mm gewählt, und die Resonanz über eine je nach Anwendung erfolgende Frequenzwahl eingestellt, damit einerseits kleinere Schallgeschwindigkeiten c und andererseits auch der Resonanzfre­ quenzverschiebung einer strömenden Flüssigkeit Rechnung getragen werden kann. Der Abstand von 140 mm hat sich für leichte Öle und Wasser bei Verwendung eines Frequenzbereichs der Schwingungsanregung von 8 kHz bis 100 kHz als besonders günstig herausgestellt.

In Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gezeigt, in welcher der anhand von Fig. 1 beschriebene Tropfengenerator 1 eingesetzt wird. Der Tropfenge­ nerator 1 wird von einer Versorgungseinrichtung 17 aus über eine Schlauchleitung 18 mit Flüssigkeit versorgt. Die Förderung der Flüssigkeit erfolgt mit einer Zahnradpum­ pe 19, die bezüglich ihrer Eigenschaften insbesondere für eine gleichmäßige Flüssig­ keitsversorgung ausgesucht wurde.

Im Ausführungsbeispiel wird die Pumpe Modell-Nr. 186 des Herstellers Ismatec GmbH verwendet. Diese Pumpe wird mit einem Gleichstrommotor betrieben und ihre Umdrehungszahl über die Höhe der Gleichspannung eingestellt. Die Pumpe arbeitet nach Angabe des Herstellers pulsationsfrei und liefert 17 µl Flüssigkeit pro Umdre­ hung.

Aus der Drehzahl n der Pumpe und aus dem bekannten Fördervolumen V_f pro Umdrehung kann dann der Volumenstrom dV/dt der Flüssigkeit gleich n·V_f berechnet werden.

Für den gleichmäßigen Betrieb ist es wichtig, daß pro Umdrehung eine genau definier­ te Flüssigkeitsmenge, besser als wenige Prozent (< 5%), gefördert wird. Der Hersteller der Pumpe gibt eine bis auf 1% genau definierte Flüssigkeitsmenge ab 20 Umdrehun­ gen/min an. Dies ergibt eine für übliche praktische Anwendungen ausreichende kleinstmögliche Durchflußmenge von 0,34 ml/min. Der dynamische Bereich des Flüssigkeitsdurchflusses durch die Pumpe ist aber groß genug, damit auch für Mehr­ lochblenden ausreichend Flüssigkeit gefördert werden kann.

Durch die Zahnradpumpe 19 werden lange stationäre Betriebszeiten von mehreren Tagen möglich.

Die Zahnradpumpe 19 fördert die Flüssigkeit aus einem Reservoir 20. Es hat sich gezeigt, daß auch ohne Zahnradpumpe 19 bei entsprechender Reservoirgröße ein stabiler stationärer Betrieb zur Tropfenerzeugung erreichbar war. Die benötigte Reservoirgröße lag dabei zwischen 1 l und 20 l je nach Anwendung. Das Reservoir wurde mit Druckluft beaufschlagt, welche die Flüssigkeit in geeigneter Weise zum Tropfengenerator 1 beförderte.

Die genannten kleinen, leicht zu realisierenden Volumina verdeutlichen, daß der Betrieb des Tropfengenerators 1 aus dem Reservoir 20 bei nicht zu hohen Zertrop­ fungsraten eine gute Alternative zum Pumpbetrieb darstellt. Zur Bestimmung des Tropfendurchmessers ist allerdings dann eine Messung des Volumenstroms dV/dt durch die Schlauchleitung erforderlich. Dieser ergibt mit der Anregungsfrequenz f den Tropfendurchmesser d nach der Gleichung:

d = [(6 dV/dt)/(π f)]^1/3

In einem anderen, zeichnerisch nicht dargestellten Ausführungsbeispiel wurde zwi­ schen der Pumpe und dem Tropfengenerator 1 auch ein Pufferbehälter eingefügt. Mit diesem wurden noch geringe Lautungenauigkeiten der Zahnradpumpe 19 aufgefan­ gen. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel konnten gute Ergebnisse bezüglich gleich­ mäßiger Tropfengröße und Reproduzierbarkeit erzielt werden.

Die Versorgungseinrichtung 17 enthält auch einen Signalgenerator zur Erzeugung rechteckförmiger Schwingungen, mit denen der Quarzschwinger 13 über eine Leitung 21 beaufschlagt wird. Der im Ausführungsbeispiel verwendete Signalgenerator war zur Abgabe von Signalen mit über 30 V Amplitude im Frequenzbereich von 8 kHz bis 100 kHz ausgelegt.

Weiter enthält die Versorgungseinrichtung 17 auch eine Automatik zum Entlüften des Tropfengenerators 1 über eine Leitung 22 bei Inbetriebnahme. Mit der automatischen Entlüftung wird sehr schnell ein stationärer Zustand im Innenraum 3 des Tropfengene­ rators 1 erreicht, so daß dieser schon nach kurzer Zeit stabil arbeitet. Die Entlüftung bewirkt auch ein Durchspülen, so daß beim Wechsel der zu zertropfenden Flüssigkei­ ten eine hohe Reinheit sichergestellt ist.

Optional ist eine LED vorgesehen, welche über die Leitung 23 mit der Betriebsfre­ quenz beaufschlagt ist. Diese beleuchtet die entstehenden Tropfen stroboskopisch. Dadurch ist dem Bedienpersonal eine leichte Kontrolle der Tropfenerzeugung, insbesondere über ihre Gleichmäßigkeit, möglich.

Die Vorrichtung des Ausführungsbeispiels gestattet eine gleichmäßige Tropfenerzeu­ gung mit hoher Reproduzierbarkeit. Trotzdem ist sie sehr einfach aufgebaut und läßt sich preisgünstig herstellen. Deshalb ist sie insbesondere für den industriellen Einsatz geeignet. Der prinzipielle Aufbau des Tropfengenerators 1 kann aber, besonders wegen des großen Abstands des Quarzschwingers 13 vom Ort der Tropfenerzeugung, auch zum Zertropfen von Kraftstoffen bei dem Betrieb von Verbrennungsmaschinen vorteilhaft verwendet werden. Für die Vorrichtung ist somit ein großer technischer Einsatzbereich gegeben.

Claims (17)

1. Vorrichtung zum Zertropfen einer eine Schallgeschwindigkeit c aufweisenden Flüssigkeit unter Vordruck mit einem Gehäuse (2), durch das die Flüssigkeit von einem Flüssigkeitseinlaß (4) zu einem Flüssigkeitsauslaß (6) geführt wird und in dem die Flüssigkeit durch geeignete Schwingungsanregung mit einer Frequenz größer als einer Minimalfrequenz f_MIN beaufschlagbar ist, wobei die Schwingung der Flüssigkeit ein Zertropfen der Flüssigkeit an mindestens einer am Flüssigkeitsauslaß (6) liegenden Austrittsöffnung für die Tropfen steuert, dadurch gekennzeichnet, daß zur Schwingungsanregung ein Schwingungserzeuger (13, 14, 15) außerhalb der Flüssigkeit angeordnet ist, dessen Schwingungen in einem größeren Abstand als c/(2f_MIN) von der mindestens einen Austrittsöffnung über das Gehäuse (2) zwischen Flüssigkeitseinlaß (4) und Flüssigkeitsauslaß (6) in die Flüssigkeit eingekoppelt sind, und daß ferner das Innere des Gehäuses (2) so ausgestaltet ist, daß eine laminare Strömungsführung auftritt sowie transversale Schwingungsmoden der Flüssigkeit unterbunden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Flüssigkeitsauslaß (6) eine mit der mindestens einen Austrittsöffnung versehe­ ne Blende (7) oder Düse angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (7) als wechselbar am Gehäuse (2) angeordnetes Blendenplättchen, insbesondere mit Mikrobohrungen versehenen Pinhole-Plättchen oder lasergebohrtes Plättchen ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) ein gerades Rohr mit kreisförmigem Querschnitt ist, an dessen einem Ende der Flüssigkeitseinlaß (4) und an dessen anderem Ende der Flüssigkeitsaus­ laß (6) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung mit Frequenzen unterhalb einer Maximalfrequenz f_MAX betreibbar und der Innendurchmesser des Rohres kleiner als c/f_MAX ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser des Rohres größer als 1 mm ist und insbesondere 4 mm beträgt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitseinlaß (4) für Anschlußleitungen großer Querschnitte, insbesondere mit Durchmessern größer gleich 6 mm, ausgestaltet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Orts der Schwingungseinkopplung von der mindestens einen Austrittsöffnung größer als 100 mm ist und insbesondere 140 mm beträgt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zufuhr der Flüssigkeit ein Reservoir (20) einer Größe vorgesehen ist, die einen gleichmäßigen Betrieb über mehrere Tage erlaubt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Flüssigkeitszufuhr eine kontinuierlich arbeitende Pumpe vorgesehen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pufferbehäl­ ter zwischen Pumpe und Flüssigkeitseinlaß (4) vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe eine Zahnradpumpe (19) oder Drehkolbenpumpe mit einer höheren Genauigkeit als 5% und insbesondere 1% Genauigkeit der geförderten Flüssigkeit pro Umdrehung ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Entlüftungseinrichtung (10, 11, 12) im Gehäuse (2) vorgesehen ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung (17) vorgesehen ist, welche die Entlüftungseinrichtung beim Anfahren der Vorrichtung öffnet.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungseinkopplung in Strömungsrichtung über eine das Gehäuse (2) umgebende Schulter (16) erfolgt.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungserzeuger (13, 14, 15) einen Quarzschwinger (13) enthält.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schwingungserzeugen ein Signalgenerator für rechteckförmige Schwingun­ gen, insbesondere in einem Frequenzbereich von 8 kHz bis 100 kHz, vorgesehen ist.