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Hintergrund
der Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich auf elektrostatische Zerstäubungsvorrichtungen
im allgemeinen und insbesondere auf pneumatisch zerstäubende,
hydraulisch zerstäubende
und andere Arten von Induktionsaufladungs-Zerstäubungssysteme.
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Es
gibt heutzutage mehrere Verfahren, um Zerstäubungspartikel für den Zweck
der Verbesserung der Qualität
und der Effizienz der Masseübertragung
von Zerstäubungsmaterial
auf das vorgesehene Ziel aufzuladen und zu fördern. Elektrostatische Düsen vom
Induktionsaufladetyp werden oft zur Anwendung in bestimmten industriellen
und landwirtschaftlichen Umgebungen gewählt, da sie allgemein eine
geringere Eingangsspannung und weniger Strom als andere Typen elektrostatischer
Düsen anwenden,
wie zum Beispiel diejenigen, die auf Corona-Kontakt- oder elektro-hydrodynamischen
Ladeprinzipien beruhen, welche Spannungen in der Größenordnung
von 25 bis 50 kV oder mehr für
eine angemessene Aufladung einsetzen. Es gibt grundlegend zwei Gruppen
von Induktionszerstäubungs-Ladesystemen
im Stand der Technik. Die erste umfasst Düsen, welche Elektroden neben
einer relativ breiten hydraulischen, pneumatischen oder anderweitigen Zerstäubungszone
positionieren und ausreichend hohe Induktionsladefeld-Gradienten
bei Betriebsspannungen in der Größenordnung
von 5 kV bis 15 kV erzielen. Beispiele dieses Typs geben Burls et
al., Pay, Swanson, Sickles, Inculet et al. und Brown et al. Die
zweite Gruppe von auf Induktion basierenden Vorrichtungen enthält Düsen, die
intern eingebettete Elektroden aufweisen, die sehr nahe an einer
besser definierten Zerstäubungszone
plaziert sind, und die wegen der Nähe der Elektrode zur Zerstäubungszone
in der Lage sind, ausreichende Induktionsladefeld-Gradienten bei Elektrodenspannungen
von nur 1 bis 3 kV zu entwickeln. Beispiele dieses letzteren Typs
geben Law und Parmentar et al.
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Die
Größe der Kraft,
durch welche geladene Tröpfchen
elektrisch zu dem gewünschten
Ziel hingeschleudert werden, ist eine Funktion des Tröpfchen-Ladepegels
und der Tröpfchengröße. Eine
geeignete Steuerung der Tröpfchengröße und eine
angemessene Ladung können
eine stark verbesserte Ablagerungseffizienz ergeben, insbesondere
an versteckten Bereichen von dreidimensionalen Zielen. Herkömmliche
Luftzerstäubungs-Induktionsladevorrichtungen
nach Law und nach Parmentar zerstäuben erfolgreich Wassertröpfchen in
dem gewünschten
Größenbereich
für einen
elektrostatischen Effekt von unter 100 mm im Durchmesser, und laden
diese Tröpfchen
auf das minimal erwünschte
Niveau von mindestens 3 mC/l auf. Mit diesen Parametern können im
Vergleich zu einer ähnlichen
ladungslosen Zerstäubung
auf komplexe Zielgeometrien wie zum Beispiel beim Besprühen von
Feldfrüchten
in der Landwirtschaft anzutreffende Pflanzenanordnungen, mindestens
doppelte Zunahmen bei der Anbringung erzielt werden. Wenn aber üblicherweise
verwendete Materialien in die Zerstäubungsflüssigkeit gemischt und bei diesen
vorbekannten Düsen
eingesetzt werden, können
die Ladepegel im Verlauf der Zeit, die als normale Einsatzzeiten
betrachtet werden, erheblich abnehmen. Beispielsweise können im
Verlauf einer halbtägigen
Besprühung
mit der Law-Düse
(oder kommerziellen Versionen davon, die mit einer dielektrischen
Flüssigkeitsspitze
modifiziert sind) unter Verwendung von Gemischen von Pulvern, leitenden Flüssigkeiten
oder Metallen, die gemeinhin in der landwirtschaftlichen Pestizid-
und Blattdüngungs-Besprühung eingesetzt
werden, die Ladepegel auf weniger als ein Fünftel der nur mit Wasser erzielten
abnehmen. Ein fortgesetzter Einsatz mit diesen Arten von Zusätzen zu
Wasser und in der bei industriellem und landwirtschaftlichem Spritzen
anzutreffenden kontaminierten Umgebung kann in einer irreversiblen Beschädigung der
elektrostatischen Zerstäubungsdüsen und
der Energiezufuhr resultieren.
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Die
Abnahme des Zerstäubungsladepegels und
die schließliche
Zerstörung
der Düsenkomponenten
sind größtenteils
auf verschiedene elektrische Probleme zurückzuführen, die aus der Bildung von
leitenden Ablagerungen an inneren und äußeren Düsenflächen entstehen. Diese, wenn
auch geringfügigen,
Ablagerungen erzeugen elektrische Streustromwege, die sich leicht über Oberflächen der Düse und von
an der Düse
angebrachten Drähten und
Schläuchen
verbreiten. Diese elektrische Spurbildungserscheinung tritt sogar
bei den relativ niedrigen Spannungen von etwa 1 bis 3 kV in Zusammenhang
mit internen Elektrodeninduktionsladedüsen auf, beispielsweise bei
den durch Law und durch Parmentar beschriebenen Pegeln. Schließlich bilden sich
entlang dieser Streustromwege, die sich in dielektrische Oberflächen einfressen,
leitende Schwarzkohleablagerungen und stellen permanente elektrische
Leiter her, die von der Bedienungsperson bei einer normalen Reinigung
nicht entfernt werden können.
Diese elektrischen Stromwege können
sich sowohl an inneren als auch äußeren Düsenflächen bilden.
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Streuströme an Außenflächen
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Die
augenfälligsten
Streustromwege bilden sich an äußeren dielektrischen
Düsenflächen, die
einer starken Kontaminierung durch Feuchtigkeit und Partikel in
der Zerstäubungsumgebung
ausgesetzt sind. Diese Stromwege beginnen für gewöhnlich an Oberflächen an
der Düsenmündung nahe
der Hochspannungselektrode und erstrecken sich von der Elektrode
nach außen
zu externen Oberflächen
geringeren Potentials, wenn die freiliegenden, rein dielektrischen
Oberflächen
der Ladedüse
benetzt oder anderweitig kontaminiert werden. Da die Kontaminierung
bzw. Verunreinigung eine resistive Leitung schafft, welche die Elektrode
zur Erde verbindet, befinden sich Oberflächen, die dazwischen liegen,
auf einer bestimmten Spannung zwischen derjenigen der Elektrode
und der Erde, je nach ihrer Positionierung und dem Grad der Oberflächenverunreinigung.
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Die
erste Wirkung der Streuströme
auf externen Oberflächen
besteht darin, dass der Energiebedarf des Systems zunimmt, wodurch
die Ausgangsspannung der ungeregelten Elektroden-Energiezufuhr der
Düse leicht
reduziert wird. Dies verursacht proportionale Verringerungen sowohl
der Elektro denspannung als auch des Zerstäubungs-Ladepegels. Wenn-Isolierflächen, die
zur Trennung geerdeter Zerstäubungsteile
von der Elektrode vorgesehen sind, genügend kontaminiert werden, erhöht sich
der von der Stromversorgung abgeführte Elektrodenstrom stark.
Unter sauberen Bedingungen mit Wasser kann eine Law- oder Parmentar-Düse nur 20
mA verbrauchen. Da die Düsenflächen aber
durch Kontaminierung durch Umgebungsfeuchtigkeit, Partikel oder Zerstäubungsflüssigkeit
leitend werden, wird der effektive Widerstand von der Induktionselektrode
zur Erde reduziert und die sich ergebende Oberflächen-Spurbildung bewirkt einen
Anstieg des Stromversorgungs-Ausgangsstroms auf das 200fache oder mehr,
je nach der Ausgangskapazität
der Stromversorgung. Bei ungeregelten Stromversorgungstypen, die
normalerweise wegen ihrer inhärenten
Sicherheit eingesetzt werden, bewirkt der erhöhte Strompegel, dass sich die
Spannung im ungeladenen Zustand auf unter ein Drittel ihrer Ausgangsleistung
verringert. Der hohe Energiebedarf reduziert auch die Anzahl von
Düsen,
die von einer einzigen elektrostatischen Stromversorgung betrieben
werden können.
Oberflächenzersetzung
(surface fowling) hat einige Hersteller kommerzieller Induktions-Ladedüsen dazu
bewegt, eine individuelle Stromversorgung für jede Düse einzusetzen, die in der
Lage ist, Ausgangsströme
zu erzeugen, die bei weitem die Betriebsanforderungen einer nichtkontaminierten
Düse übertreffen. Diese
Lösung
der Gestaltung erhöht
die Komplexität und
die Kosten von Mehrdüsensystemen
wie landwirtschaftlichen Feldspritzen (agricultural boom ((???))
sprayers), wobei die exzessive verfügbare Energie eine dielektrische
Oberflächenzersetzung wegen
elektrischer Spurbildung beschleunigen und Sicherheitsprobleme verursachen
kann. Wie durch Law im US-Patent Nr. 4 004 733 gelehrt wird, kann
es erwünscht
sein, die Stromversorgung direkt an der Ladedüse anzubringen oder sie in
die Düse
einzubetten. Die von Law erläuterten
Vorteile bestehen darin, dass dies etwaige Hochspannungsleitungsbahnen vermeidet,
die zu mechanischer Beschädigung
führen
können
oder einen elektrischen Gefahrenfaktor darstellen können. Law
zeigt die direkt an dem die Elektrode enthaltenden Düsenabschnitt
angebrachte Stromversorgung. Das Problem bei dieser Ausführungsform
besteht darin, dass die Niederspannungs-Energieversorgungs-Eingangsdrähte kontaminiert
werden und die Isolierung sich schließlich durch elektrische Aktivität entlang
der Isolationsflächen
verschlechtert. Die Potentialunterschiede zwischen dem Leiter an
der Innenseite der Niederspannungsleitung und die Kontamination
am Draht ist für gewöhnlich nahe
dem Elektrodenpotential. Daher ist eine dielektrischer Zusammenbruch
der Isolierung wahrscheinlich, besonders wenn die Isolierung aufgrund
mechanischer Beschädigung
oder elektrischer Spurbildungsschäden geschwächt ist. Außerdem befindet sich für gewöhnlich ein
elektrischer Verbinder irgendwo an den Niederspannungsdrähten, um
ein einfaches Entfernen der Düse
zu ermöglichen.
Die internen Teile des Verbinders befinden sich auf einer niedrigen
Spannung und die Außenseite
des Verbinders auf einer hohen Spannung wegen der Leiterbahnen,
die sich auf der Drahtisolierung und/oder auf Verbinderoberflächen infolge
von Kontamination bilden. Daher sind in der Praxis das Innere und
das Äußere der
Niederspannungsverbinder ebenfalls wegen der Potentialdifferenz
gegenüber
Fehlern anfällig.
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Die
durch Parmentar et al. beschriebene Vorrichtung geht das Problem
einer elektrischen Spurbildung an Düsenaußenflächen an und versucht, den Strom
durch Verlängerung
der Oberflächen-Isolierdistanz
von dem Düsenauslass
zu dem geerdeten Montagebügel
mit einer Reihe von Nuten bzw. Rillen an den Außenwänden der Düse und einen die Düse umgebenden
großen
radialen Flansch zu begrenzen. Da aber die Nuten bzw. Rillen und
der Flansch direkt Staub und der geladenen Zerstäubungswolke ausgesetzt sind,
können
sie schnell hinreichend leitend werden, um einen substantiellen
Strom von der Elektrode aufrechtzuerhalten. Außerdem können sich die tiefen Rillen
mit getrockneten Zerstäubungsmaterialien
füllen
und sind schwer gründlich
zu reinigen und können
daher auch nach der Reinigung leitend bleiben.
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Ein
zweiter Effekt von Streustrom an externen Düsen flächen besteht in der Reduzierung
der Intensität
der Zerstäubungsladung
wegen eines elektrischen Kontakts mit der zugeführten Flüssigkeit durch Säume in der
Flüssigkeitseinleitverbindung
am Düsenkörper. Wenn
ein elektrischer Kontakt mit der normalerweise geerdeten Flüssigkeit
erfolgt, erhöht
sich das Potential der Flüssigkeit
zu dem der Induktionselektrode hin. Der Potentialunterschied zwischen
der Induktionselektrode und dem Flüssigkeitsstrom wird reduziert,
was eine proportionale Verringerung des Sprühladepegels ergibt.
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Ein
physischer Schaden kann sich aus einer elektrischen Funkenbildung
an verunreinigten Isolierflächen
von Draht, Luftröhren
und Flüssigkeitsröhren in
der Nähe
von Stellen ergeben, an denen diese Düsenkomponentenflächen mit
geerdeten Zerstäubungsdüsenteilen
(sprayer parts) in Kontakt stehen. Ein Strom aus der Elektrode oder
aus kontaminierten elektrischen Hochspannungsverbindern wandert
entlang der beschädigten
Oberflächen
und es kommt zu einer elektrischen Bogenbildung an den Oberflächen nahe
den geerdeten Zerstäubungsdüsenteilen,
was schließlich
zur Erosion von Löchern
in der Rohrleitung und der Drahtisolierung führt, was Flüssigkeitslecks und freiliegende
Leiter verursacht, welche einen direkten Kurzschluss bewirken können. Schließlich entstellt
der Ätzvorgang
entlang Stromwegen und die Grübchenbildung
aufgrund elektrischer Entladungen permanent Oberflächen, die
für die
Basisfunktion der Düse
von Bedeutung sind, beispielsweise die Wände des Zerstäubungskanals,
die Flüssigkeitsöffnungsspitze
und Oberflächen
der Elektrode. Erosion aufgrund elektrischer Aktivität in diesen
Bereichen verursacht eine Unterbrechung des Zerstäubungsmusters,
was den Sprühladepegel
und die Zerstäubungsqualität stark
beeinträchtigt.
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Streuströme an Innenflächen
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Während eine
Lastströmung über kontaminierte
externe Düsenflächen den
sichtbarsten physischen Schaden an herkömmlichen Luftzerstäubungs-Induktionsdüsen verursacht
und einen Großteil
des von der Stromversorgung abgezogenen Stroms aufbraucht, sind
auch Innenflächen
einer Kontaminierung ausgesetzt. Die Kontaminierung bzw. Verunreinigung
ergibt eine Sprühladereduktion, wenn
das Potential der Flüssigkeit
stromauf der Elektrode beeinflusst wird.
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Einige
Typen herkömmlicher
Induktionsladedüsen
verwenden Dichtungen in der Düse,
um die Flüssigkeit
von der in der Düse
positionierten Elektrode zu isolieren. Die dielektrischen Oberflächen dieser Dichtungen
können
durch Kontaminierung während der
Demontage ausreichend leitend werden, um Stromwege zu der Flüssigkeit
zu schaffen. Die Strompegel über
den dielektrischen Dichtungen können
zwar nicht ausreichend sein, um eine elektrische Bogenbildung oder
eine Oberflächenverätzung zu verursachen;
der elektrische Kontakt kann aber ausreichen, um die Spannung des
Flüssigkeitsstroms
zu derjenigen der Elektrode zu erhöhen, was eine erhebliche Reduktion
des elektrischen Induktionszerstäubungs-Ladefelds
ergibt. Einige vorbekannte Düsen
sind so gestaltet, dass sie in alle Basiskomponenten zerlegt werden
können.
Während
dies einen bequemen Zugang zu jedem Teil für eine Inspektion oder einen
Austausch ermöglicht,
erschwert es das Problem einer möglichen
Lnnenflächenkontamination,
da sich herausgestellt hat, dass einige leitende Reste nach einer
normalen Reinigung und einem neuerlichen Zusammenbau verbleiben
können.
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Ein
Beispiel, wie eine Innenfläche
versehentlich während
der Demontage kontaminiert werden kann, bietet die Law-Düse, die
mit einer dielektrischen Doppelfluidspitze modifiziert ist. Die
Basis dieser Doppelfluidspitze wird in den Düsenkörper eingeführt, und die Naht ist bei der
Demontage einer Kontamination ausgesetzt, was in einer elektrischen
Leitungsspur zwischen dem Flüssigkeitskanal
und an der Elektrode entstehenden Oberflächenstreuströmen resultiert.
Es ist beobachtet worden, dass diese Spur bewirken kann, dass die
Flüssigkeit
von der Elektrode eine Spannung von 40 bis 70% derjenigen der Elektrode
erreicht, was eine proportionale Verringerung der Zerstäubungsladung
ergibt.
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Eine
innere Kontaminierung tritt auch in vorbekannten Düsen auf,
wenn eine geringe Menge von Zerstäubungsmaterial in die Luftkanäle zurückströmt, wenn
die Luftströmung
angehalten wird. Diese Kontaminierung erzeugt starke elektrische
Stromwege auf Oberflächen
zwischen der Elektrode und der bevorzugten Niederspannungs-Flüssigkeitsöffnungsspitze
sowie der Flüssigkeitskanalisolierung.
Diese Oberflächen
können
durch elektrische Entladungen Grübchen
bilden. Schließlich
entwickeln sich in dem dielektrischen Material, das die Flüssigkeitsöffnungsspitze
oder den Flüssigkeitskanal
umgibt, Löcher, womit
der Flüssigkeitskanal
direkt der Spannung der Elektrode als auch der druckbeaufschlagten
Gasausnehmung ausgesetzt ist.
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In
einer vorbekannten kommerziellen Version der Law-Düse sind
die Doppelfluidspitze und ihre dazupassende, mit Gewinde versehene
Basis leitend und geerdet. Eine Abdeckung ist über dem Elektrodenkappenabschnitt
und dem freiliegenden Metall der Doppelfluidspitze installiert.
Die Strategie zielt darauf ab, die Flüssigkeit auch bei Vorhandensein von
Streuströmen
auf Erdungspotential zu halten. Bei normalen Nutzungsdauern und
bei der Reinigung der Düse
werden jedoch die Oberflächen
auf der Innenseite dieser Abdeckung kontaminiert. Daher wandert
der Strom aus der Elektrode über
kontaminierte Abdeckungsdichtungen und entlang der kontaminierten
inneren Abdeckungsflächen
zu dem freiliegenden Metall an der Basis der geerdeten Doppelfluidspitze. Die
Flüssigkeit
bleibt geerdet, aber der Stromweg führt direkt durch die leitende
Doppelfluidspitze, und die Stromversorgungs-Ausgangsleistung wird
stark reduziert und ist wegen dem exzessiven Strombedarf Fehlern
unterworfen. In einer Anstrengung, dieses Problem zu eliminieren,
wurde die metallische Doppelfluidspitze durch eine Spitze ähnlicher
Gestaltung, die aus Delrin-Kunststoff hergestellt ist, ersetzt.
Dies erhöht
zwar die Lebensdauer der Düse
etwas, aber Stromwege zu dem Flüssigkeitsstrom
dringen schließlich
in die Naht zwischen der Delrin-Doppelfluidspitze und dem Düsenkörper ein,
wobei eine hinreichende elektrische Bogenbildung stattfindet, um schließlich Rillen
zwischen den Dichtungsflächen
zu erzeugen und permanente elektrische Stromwege zum Flüssigkeitsstrom
zu öffnen.
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Verwendung von Widerständen am
Stromversorgungsausgang
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Bei
einigen herkömmlichen
elektrostatischen Düsen,
wie denen von Sickles wird ein Widerstand im Giga-Ohm-Bereich zwischen
dem Stromversorgungsausgang und der Düsenelektrode plaziert, um den
Strom zur Elektrode zum Zweck der Sicherheit der Bedienungskraft
zu begrenzen, und um eine starke elektrische Bogenbildung im Innern
der Düse
zu verhindern. Dieser Widerstand kann auch den günstigen Effekt aufweisen, an
der Elektrode entstehende Leckströme zu begrenzen, aber Sprühladepegel
werden reduziert, da sehr kleine Leckströme über kontaminierten Oberflächen einen
erheblichen Spannungsabfall über
dem mit der Elektrode verbundenen, einen hohen Wert begrenzenden
Widerstand bewirken. Wenn Zerstäubungsmaterialien
oder von der Luft getragene Stäube
schließlich
eine dielektrische Düse
bedecken, wird der effektive Widerstand von der Elektrode zur Erde
auf einen Wert reduziert, der viel geringer ist als der eines Stromversorgungs-Reihenwiderstands
einer Größe, welche
den Strom in angemessener Weise auf einen sicheren Wert begrenzen
würde.
In der Praxis wird, wenn vorbekannte Düsen in landwirtschaftlicher
Umgebung betrieben werden, der Düsenelektrodenwiderstand zur
Erde oft auf weniger als 1 MΩ reduziert.
Die in 13 gezeigte schematische
Darstellung veranschaulicht den Effekt auf die Elektrodenspannung
Vc für
den Fall eines strombegrenzenden Widerstands R, der zwischen einer
Düsenelektrode
und der Stromversorgung plaziert ist, wenn ein resistiver Leckweg
Rn über
Düsenoberflächen zur
Erde besteht.
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Man
nehme das Beispiel eines strombegrenzenden Widerstands R von 5 MΩ, der zwischen einer
ungeregelten 1 kV-Stromversorgung und einer kontaminierten Düse mit einem
resistiven Leckweg Rn von 1 MΩ von der
Elektrode zur Erde entlang kontaminierter Düsenflächen verbunden ist. Wie bei
einem herkömmlichen
Spannungsteilerkreis wird die Spannung von der Stromversorgung an
der Elektrode geteilt, was die Elektrodenspannung (Vc)
und das interne Induktionslastfeld auf nur ein Sechstel von demjenigen
einer Düse
mit vollkommen reinen Oberflächen
und ohne Leckströme
reduziert. Bei einem weiteren Beispiel wird für R = Rn die
effektive Ladespannung halbiert. Diese einfachen Beispiele veranschaulichen,
dass die Düsenladekomponenten
einen erheblich höheren
Wert von Leckwiderstand gegenüber
der Erde aufweisen müssen
als die Strombegrenzungswiderstände
geeigneter Größe von der
Energiequelle, falls solche Widerstände effektiv eingesetzt werden
sollen. Die Hauptvorteile eines solchen, ein starkes Lecken verhindernden
Systems sind Sicherheit, längere
Düsen-Lebensdauer,
verbesserte Zuverlässigkeit
der Funktion bei mangelhaft gewarteten Düsen, konsistente Zerstäubungsladung über einen
weiten Bereich von Flüssigkeitsleitfähigkeiten, die
Fähigkeit,
sehr kleine Stromversorgungseinheiten mit relativ niedrigen Spannungen
zu verwenden, und die Fähigkeit,
viele Ladedüsen
aus einer einzigen Energiequelle zu versorgen. Sickles versucht,
einen hochresistiven Weg zwischen der Elektrode der Düse und Erde
aufrechtzuerhalten, indem er Düsenflächen unter
Verwendung eines Sekundär-Luftstroms
rein hält,
der dazu vorgesehen ist, ein Zurückkehren
von aufgeladenem Spray zum Düsenkörper zu
verhindern. Das für
diesen Sekundär-Luftstrom verwendete
Druckluftvolumen macht es jedoch bei großen Mehrdüsensystemen wie landwirtschaftlichen
Feldspritzsystemen zur Behandlung von Feldfrüchten mit 30 bis 80 Düsen inpraktikabel.
Luftkompressoren oder Gebläse
müssen
bei diesen mobilen Anwendungen so kompakt wie möglich sein. Eine exzessive
pneumatische Energie am Zielort ist oft unerwünscht, da das elektrostatische
Kraftfeld von den aerodynamischen Kräften überwunden werden kann, was
eine mangelhafte Elektroablagerung und einen sog. Overspray ergibt.
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Außerdem tendieren
Düsen,
die in dieser Art von rauher Umgebung arbeiten, dazu, leitende luftgetragene
Stäube
zu sammeln und auf Oberflächen auch
dann einen Overspray zu bewirken, wenn Sekundärluft verwendet wird, um Verunreinigungen
von der Düse
wegzubekommen.
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Neutralisierung
der geladenen Zerstäubungswolke infolge
von Ionisierung aufgrund von an der Düsenfläche angesammelter Flüssigkeit
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Die
aus einer Induktionsdüsenöffnung emittierte,
geladenen Zerstäubungswolke
erzeugt ein intensives elektrisches Feld, das an dem vorgesehenen
Ziel sowie an der Düsenfläche und
anderen Zerstäuberkomponenten
endet. Das von einer Raumladung angelegte Feld an der Düse bewirkt
eine starke Anziehungskraft zwischen der Düsenfläche und den geladenen Tröpfchen.
Herkömmliche
Induktionsdüsen
wie die von Law, welche eine pneumatische Zerstäubung einsetzen, haben den
Vorteil eines Gasträgerstoffs,
um den Großteil
des Sprays von der Düsenfläche wegzuschleudern.
In der Zerstäubungswolke
selbst werden Tröpfchen
untereinander abgestoßen,
und einige Tröpfchen
an dem Außenumfang entweichen
einer Mitführung
durch den Gasstrahl. Geladene Tröpfchen,
die sich von dem Gasträgerstrahl
befreien und keine ausreichende Distanz zurückgelegt haben, um dem Feld
an der Düsenfläche zu entweichen,
kehren jedoch zu der Düsenfläche entlang
der von dem Raumladefeld angelegten elektrischen Feldlinien zurück. Dieser
relativ geringe Anteil an geladenem Spray, der zu den Düsen zurückkehrt,
bewirkt einen Großteil
der schädigenden
Oberflächen-Kontamination
und resultiert in elektrischen Stromproblemen. Eine weitere schädigende
Konsequenz besteht darin, dass die Zerstäubungsflüssigkeit, die zur Düse zurückgezogen
wird, sich an der planaren Fläche
der herkömmlichen
Ladedüse
anzusammeln pflegt. Diese Ansammlung kann eine partielle Neutralisierung
des geladenen Sprays bewirken. Da die abgelagerte Flüssigkeit
von den äußeren Düsenflächen abzutropfen
beginnt, wird sie durch die Kraft des elektrischen Feldes der Zerstäubungswolke zu
der Zerstäubungswolke
hin gezogen. Die angesammelte Flüssigkeit
bildet mit dem Feld ausgerichtete scharfe Spitzen aus. Die Intensität des elektrischen
Feldes an den Spitzen ist ausreichend, um einen dielektrischen Zusammenbruch
der umgebenden Luft zu bewirken. Die resultierenden gasförmigen elektrischen
Entladungen senden ionische Ladungen entgegengesetzter Polarität in die Zerstäubungswolke,
woraufhin ein wesentlicher Teil des Sprays elektrisch neutralisiert
wird. Außerdem
ist die an der Oberfläche
angesammelte Flüssigkeit,
welche von der Düse
elektrisch angezogen wird oder durch Schwerkraft abtropft, zerstörerisch
und bewirkt eine mangelhafte Ablagerung auf nicht richtig zerstäubtem Spray.
Die von einer Düsenfläche abtropfenden Tröpfchen sind
für gewöhnlich ziemlich
groß und
sind entgegengesetzt zum Spray geladen. Bei Farbspritzanwendungen
verunstalten diese großen
Tröpfchen eine
ansonsten gleichmäßige Oberflächenbeschichtung.
In der Praxis einer Pestizidspritzung von Pflanzen kann eine Ablagerung
dieser großen
Tropfen an Stellen, wo diese Überdosis
auftritt, einen schweren Schaden am Pflanzengewebe verursachen.
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Die
Form der herkömmlichen
Parmentar-Düse
verringert Ionisierungspunkte, die sich aus Oberflächenschichten
an dem Düsenmündungsbereich bilden,
indem der Auslass zu einem napfförmigen Hohlraum
zurückversetzt
wird, dessen äußerer Rand der
Zerstäubungswolke
zugewandt ist. Ionisierung und Abtropfen treten jedoch an anderen
Oberflächen der
Düse auf,
wenn sie ausreichend benetzt sind. Geladene Tröpfchen, die zur Düse zurückkehren, werden
zu der Randkante des Hohlraums hin gezogen, da die elektrischen
Feldlinien sich dort konzentrieren. Dies hilft bei der Begrenzung
der Spraymenge, welche den Körper
hinter der Randkante bedeckt, die sich ansammelnden Tröpfchen kumulieren
und koaleszieren jedoch an der Kante selbst. Unmittelbar vor dem
Abtropfen wird die Flüssigkeit
zu der Zerstäubungswolke
in scharfen Spitzen, aus denen eine Ladung entgegengesetzt zur Zerstäubungswolke emittiert
wird, gezogen und tendiert dazu, einen erheblichen Teil der geladenen
Zerstäubungswolke
zu neutralisieren. Parmentar nimmt auch einen großen radialen
Flansch um die Düse
auf. Dieser Flansch dient dazu, die Isolierfläche zu vergrößern und
ein Zurückkehren
aufgeladenen Sprays aus der Beschichtung des stromabwärtigen Teils
des Düsenkörpers zu
blockieren. Die Vorderfläche
und Randfläche zur
Zerstäubungswolke
hin wird jedoch schließlich überzogen
und es bilden sich eine Vielzahl von zu Ionisierung neigenden Tropfpunkten.
Außerdem
ver hindert der napfförmige
Hohlraum an der Vorderseite der Düse, dass die Düse in einer
Ausrichtung nach oben eingesetzt wird, da der Hohlraum sich mit
Flüssigkeit
zu füllen
tendiert, welche sich an der Randkante ansammelt und in den Hohlraum
tropft, wobei sie schließlich
teilweise die Öffnung
blockiert und/oder als große
Flüssigkeitsschwälle ausgestoßen werden,
was die Sprayablagerungsqualität
stark verschlechtert.
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Alle
Versionen der herkömmlichen
Law-Düse
zeigen auch das Abtropf- und Zerstäubungswolken-Neutralisierungsproblem,
insbesondere neuere kommerzielle Versionen, bei denen eine Abdeckung mit
planarer Oberfläche
zum Schutz über
der kleineren planaren Fläche
der Elektrodenkappe installiert ist. Verglichen mit der Parmentar-Düse tendiert
die Law-Düse
dazu, weniger Flüssigkeit
anzusammeln, da die Fläche
der Abdeckung weniger als halb so groß ist. Die Ansammlung ist jedoch
ausreichend, um die Bildung von hervorstehenden, zur Ionisierung neigenden
Spitzen zu bewirken, die von der untersten Kante der Fläche abtropfen.
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Mechanischer Verschleiß des Zerstäubungskanals
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Eine
weitere Einschränkung
bei herkömmlichen
Induktionsladedüsen
besteht in der Tendenz des Zerstäubungskanals
und des Strahlauslasses, unter normaler Verwendung mit abrasive
Substanzen enthaltenden Sprays schnell zu verschleißen. Das enge
Spraymuster und eine zwischen dem Spray und Kanalwänden durch
die Law-Düse
gebildete Luftscheide begrenzt den Abtragungsverschleiß etwas, aber
im Verlauf der Zeit werden die Zerstäubungskanalwände geringfügig mit
Spray-Ablagerungen verformt, die von einer nicht sauberen Reinigung übrig bleiben,
oder sie werden durch elektrische Aktivität wie induzierter Ionisierung
von der Flüssigkeitsmündungs-spitze
oder einer Stromspurbildung entlang den Innenwänden der Zerstäubungszone
verunstaltet. Die Verformung unterbricht das enge Muster, und ein
Teil des luftgetriebenen Sprays trifft auf die Kunststoffwand neben
dem Auslass auf und erodiert diese mechanisch. In der Praxis kann
der Auslass der Düse auf
das Doppelte des anfänglichen
Durchmessers in einem Zeitraum von nur einem halben Tag erodieren, wenn
bestimmte abrasive Materialien wie Diatomeenerde oder Natrium-Aluminofluorid
gesprüht
werden. Wenn sie unbeaufsichtigt bleibt, beginnt die Elektrode ebenfalls,
beginnend am Auslassende und sich nach hinten fortsetzend, zu verschleißen. Der Luftverbrauch,
die Zerstäubungsladung
und die Zerstäubungsqualität können alle
durch den abtragenden Verschleiß nachteilig
beeinflusst werden.
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Abriss der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt verbesserte elektrostatische Zerstäubungs-Aufladedüsensysteme
zum zuverlässigen
Laden von Spray mit einer breiten Vielfalt von Sprayflüssigkeiten
bereit, insbesondere diejenigen, die relative Massekonzentrationen
von abrasiven Pulvern, Metallelementen, korrosiven Materialien und/oder
hochleitenden Materialien enthalten. Solche Systeme sind auch sicherer
und zuverlässiger
in Umgebungen, in denen Düsenoberflächen nicht
leicht durch Spray und anderes Material kontaminiert werden, bei
denen Düsen
durch unausgebildete Bedienungspersonen betätigt werden und eine Düsenwartung
vernachlässigt
werden kann. Die Systeme stellen auch Düsen mit geringem elektrischen
Energiebedarf bereit, um den Betrieb vieler elektrostatischer Zerstäubungsdüsen aus
einer einzigen Miniatur-Energieversorgung
zu ermöglichen, oder
um den Betrieb einer einzigen Düse
aus einer Sub-Miniatur-Stromversorgung zu ermöglichen, die, falls gewünscht, in
der Düse
eingebettet sein kann.
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Pneumatisch
zerstäubende
Induktionszerstäubungs-Aufladedüsensysteme
gemäß der vorliegenden
Erfindung bringen den Stand der Technik unter anderem voran durch
(a) Beibehalten der Stabilität
des internen elektrostatischen Ladungsfeldes zwischen einem Flüssigkeitsstrahl
und der Induktionselektrode durch elektrische Isolierung des Flüssigkeitsstroms
von internen und externen Stromlecks und durch Herstellen einer
elektrischen Sperre zwischen dem internen Ladefeld und Zerstäubungswolkenfeldern,
die außerhalb
der Düse
entstehen; (b) Aufrechterhalten von Düsenflächenpotentialen, um ein Entweichen
einer Ladung an inneren und äußeren Düsenflächen auszuschließen; (c)
Erzeugen eines hohen elektrischen Widerstands zwischen geerdeten
Zerstäubungsteilen,
der Hochspannungsenergiequelle und der Elektrode der Zerstäubungsdüse; und
(d) Verwenden von abtragungs- bzw. verschleißresistenten Materialien an
dem Düsenauslass.
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Düsenanordnungen
gemäß der vorliegenden
Erfindung umfassen einen Körper,
der in einer Doppelfluidspitze endet, die in einer Abdeckung eingebettet
ist, welche eine pneumatische Zerstäubungskammer und eine Aufladeelektrode
enthält.
Die Induktionselektrode ist in der Anordnung in geeigneter Weise
in Bezug auf die Zerstäubungszone
positioniert, um ein geeignetes intensives elektrisches Feld an
der Oberfläche
des Flüssigkeitsstrahls
an der Tröpfchenbildungszone
zu konzentrieren und zu erhalten. Der Flüssigkeitsstrahl wird auf oder
nahe an Erdungspotential gehalten und an einer geeigneten stromaufwärtigen Stelle
geerdet. Eine Ladung wird so induziert, dass sie durch die Flüssigkeit
fließt
und sich an der Oberfläche
des in die Zerstäubungszone eintretenden
Flüssigkeitsstroms
in Reaktion auf das elektrische Feld an der Stahloberfläche konzentriert. Tröpfchen werden
mit pneumatischer Energie gebildet, welche auch das geladene Spray
von dem Elektrodenbereich weg durch den Düsenstrahlauslass und zu dem
vorgesehenen Ziel hin schleudert.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Induktions-Zerstäubungs-Aufladedüse nach
Anspruch 1 bereitgestellt.
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Gemäß einer
Anordnung besteht der Düsenaufbau
aus einem Körper,
der in einer Doppelfluidspitze endet, die entfernbar mit einer Abdeckung
verbunden ist. Die Abdeckung weist eine konisch oder anderweitig
aerodynamisch geformte Außenfläche auf,
die in einem Spraystrahlauslass endet. Sie enthält eine Innenfläche, welche
einen Zerstäubungskanal
bildet und eine Induktionselektrode aufweist. Der Körper und
die Abdeckung können
einfach getrennt werden, um zu allen Bereichen, die periodisch gereinigt
werden müssen,
Zugang zu schaffen, wie beispielsweise zu den Luftkanälen, dem
Flüssigkeitskanal,
der Flüssigkeitsmündungsspitze,
dem Zerstäubungskanal,
der Ladeelektrodenfläche
und dem Luftplenumbereich. Die Flüssigkeitsmündungsspitze, die Elektrode
und andere interne Düsenkomponenten sind
einstückig
mit dem Körper
oder der Abdeckung und müssen
nicht entfernt werden. Sie sind daher keiner Fehlausrichtung oder
Kontaminierung während
des Zusammenbaus, der Demontage oder des Betriebs ausgesetzt.
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In
einer weiteren Anordnung wird der elektrische Kontakt der Elektrode
mit der Stromversorgung unterbrochen, wenn sich die Abdeckung löst oder entfernt
wird. Dies reduziert die Möglichkeit,
dass eine Bedienungsperson versehentlich in Kontakt mit der Stromversorgung
kommt, wenn sie die Elektrode oder andere Teile der Zerstäubungszone
inspiziert oder reinigt. Dieses Merkmal eliminiert auch die Handhabung
und Beanspruchung irgendwelcher zerreißbarer Drähte beim Reinigen des Zerstäubungskanals
oder anderer Bereiche.
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Mehrere
Anordnungen der Düse
eliminieren Streuströme über kontaminierende
Oberflächenschichten,
die sich leicht an inneren dielektrischen Oberflächen von Induktionslaufladedüsen, wie
Oberflächen
in dem Bereich um die Flüssigkeitsmündungsspitze
und die Zerstäubungskammer,
bilden. An den Innenflächen
der Düse
werden Oberflächen mit
gleichem Potential absichtlich in den Bereichen des Abdeckungsabschnitts
angrenzend an die Elektrode und stromauf von dieser aufrechterhalten.
Die Oberflächen
der Gasplenums, der Dichtungen und Zerstäubungskanäle, die innere Abschnitte der
Abdeckungsanordnung sind, sind zwischen der Elektrode und einem
leitenden oder halbleitenden Ring positioniert, der sich auf einem ähnlichen
Potential wie die Elektrode befindet. Dies gleicht die Spannung dieser
dielektrischen Oberflächen
in dem sehr wahrscheinlichen Fall aus, dass sich eine leitende kontaminierende
Schicht auf ihnen bildet, und verhindert, dass Strom von der Elektrode
rückwärts zu dem
Körperabschnitt
niedrigeren Potentials der Anordnung wandert und schädigende
elektrische Spurwege an diesen wichtigen internen Düsenbereichen
bildet. Der interne leitende Ring dient bevorzugt auch dazu, einen
von der Ausrichtung unabhängigen
elektrischen Kontakt von der Stromversorgungsleitung in dem Körper zu
der Elektrode in der Abdeckung herzustellen. Ein weiterer Vorteil
der internen geladenen Ringfläche
besteht darin, dass sie inhärent
eine elektrische Sperre zwischen dem internen elektrischen Induktionsaufladefeld
und etwaigen extern entstehenden Feldern bildet, die um die Düse herum
bestehen, wie zum Beispiel die von einer Zerstäubungswolken-Raumladung gebildete,
die entgegengesetzt zu dem Düsenzerstäubungs-Aufladefeld
ist und dieses unterdrückt.
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Der
Flüssigkeitskanal,
die Flüssigkeitseinlassverbindungen
und die Flüssigkeitsspitze
sind in dem Niederspannungskörperabschnitt
enthalten. Die Flüssigkeit
ist an einem bestimmten Punkt stromauf von der Flüssigkeitsmündung geerdet,
und der parallele Widerstand des Strömungssegments und dessen nahtlose
Leitung zwischen dem Erdungspunkt und der Elektrode bewirkt, dass
das Potential des Flüssigkeitsstrahls
an der Mündung
zwischen einer Erdungsspannung während
eines normalen Betriebs und der Elektrodenspannung während einer
Kurzschlusssituation schwankt. Im Fall eines direkten Kurzschlusses
zwischen der Flüssigkeitsmündungsspitze
und der Elektrode, die durch eine Brücke leitender Verunreinigungen
verursacht wird, wird der Strom über
die Brücke
des den Kurzschluss verursachenden Materials und durch den resistiven
Flüssigkeitsstrom
und dessen Leitungsbahn geleitet. Die Flüssigkeit zwischen der Spitze
und ihrem stromaufwärtigen
Erdungspunkt bildet einen Widerstand, der den Strom von selbst begrenzt
und infolgedessen eine Beschädigung
an Düsenkomponenten
einschränkt.
Eine Beschädigung
wird weiter verhindert, wenn der Düsenflüssigkeitsstrom angehalten wird, da
der Strom aufhört,
wenn ein Flüssigkeitskontakt unterbrochen
wird, wenn Flüssigkeit
aus dem Kanal an der Flüssigkeitsmündungsspitze
evakuiert wird.
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Die
Wahrscheinlichkeit eines Kurzschlusses an der Flüssigkeitsmündungsspitze wird ferner durch das
Zerstäubungsgas,
das sich in dem die Basis der Spitze umgebenden Plenum bewegt, und
durch das Gas sehr hoher Geschwindigkeit, das in die die Flüssigkeitsmündungsspitze
umgebende Zerstäubungszone gezwungen
wird, eingeschränkt.
Für zusätzliche
Sicherheit, und um einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Elektrode
und der Flüssigkeitsmündungsspitze
zu verhindern, der leicht bei Abwesenheit eines Zerstäubungsgasstroms
durch den Zerstäubungskanal
auftritt, wird die Elektrodenspannung vorzugsweise mittels eines
Druckschalters, der die Stromversorgung steuert, unterbrochen. Mehrere Anordnungen
reduzieren weitgehend Streuströme
an Düsen-Außenflächen im
Vergleich zu vorbekannten Düsen,
die unter Bedingungen arbeiten, bei den Düsenflächen verunreinigt werden können. Es
ist entdeckt worden, dass, wenn Verunreinigungsschichten leicht
auf externen dielektrischen Oberflächen elektrostatischer Zerstäubungsdüsen ausgebildet
werden, die Oberflächen
angrenzend an und stromab der Elektrode dann ausreichend leitend
sind, um die Elektroden mit geerdeten Komponenten der Sprühvorrichtung
bzw. des Zerstäubers
zu koppeln. Die resultierenden Streu-Oberflächenströme bewirken eine Verunstaltung
und eine schließliche
Zerstörung
dielektrischer Oberflächen,
von Elektrodenoberflächen, von
Fluidverbindungen und Drähten
von vorbekannten Zerstäubungs-Aufladedüsen.
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Ein
Hauptaspekt der vorliegenden Erfindung besteht in der Aufrechterhaltung
eines hochresistiven Wegs von der Elektrode zur Erde, wodurch eine
signifikante Ladungsströmung
von der Elektrode entlang den Innenwänden des Zerstäubungskanals nach
hinten zu der Doppelfluidspitze und nach vorne zu der Außenfläche der
Düse sowie
entlang kontaminierter dielektrischer Außenflächen, die an Erdungspunkten
an der Zerstäubungsvorrichtung
angebracht sind, verhindert wird. Der hochresistive Weg wird geschaffen,
indem ausgewählte
Abschnitte von Düsenflächen vor
Verunreinigung bzw. Kontaminierung geschützt werden. Ein Verfahren zur
Beibehaltung eines Wegs mit hoher Impedanz besteht darin, Ausnehmungen
bzw. Hohlräume
in ausgewählten
Düsenoberflächen richtig
auszubilden und/oder an elektrischen Abstandhaltern (stand offs),
die dazu verwendet werden, die Düse
mit geerdeten Zerstäubungsteilen
zu verbinden, und das Innere dieser Hohlräume vor dem Eintritt von Verunreinigungen
zu schützen.
Ein Schutz vor dem Eindringen von Verunreinigungen in die Hohlräume kann
durch Anwendungen aerodynamischer, akustischer, thermischer, elektrischer,
mechanischer oder anderer Formen von Energieeingabe oder passiv
durch geeignete Formung der Hohlräume bereitgestellt werden,
um ein Eindringen von Verunreinigungen durch eine Interaktion mit
den bestehenden elektrischen Feldern, den angelegten elektrischen
Feldern und aerodynamischen Strömungsfeldern
in der Nähe
inhärent
zu verhindern. In einer bevorzugten Anordnung ist die aerodynamische
Form der Düse
darauf abgestimmt, an den Düsenoberflächen allgemein
eine Laminarströmung
zu erzeugen, um die Neigung mitgeführter Partikel, an den Düsenoberflächen anzuhaften,
zu reduzieren, während
bestimmte sorgfältig
plazierte elektrische Feldkonzentratoren wie Ränder oder Kanten Bereiche einer
Feldintensität
erzeugen, die dazu tendiert, solche Partikel abzustoßen oder
abzulenken.
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Nach
einer Anordnung ist der dielektrische Düsenkörper, an dem die Gas-, Flüssigkeits-
und elektrischen Anschlüsse
gelegen sind und Montageverbindungen vorgenommen sind, elektrisch
von dem Abdeckungsabschnitt durch geschützte, in dem Körper ausgebildete
Hohlräume
isoliert. Die äußere Körperfläche wird
somit durch die Leitfähigkeit
der kontaminierten Körperfläche annähernd auf
Erdungsniveau gehalten, und ein erkennbarer elektrischer Stromfluss über die
Körperoberflächen von
Düsen-Hochspannungskomponenten
wird durch die Resistivität
des geschützten
Inneren des Hohlraums verhindert. Eine bevorzugte Anordnung umfasst auch
eine geschützte
Oberfläche
am Abdeckungsabschnitt der Düsenanordnung,
welche die interne Elektrode enthält. Dieser geschützte Hohlraum
isoliert ferner die Elektrode von Erde in dem Eventualfall einer
Oberflächenzersetzung
und bewirkt somit, dass der Zerstäubungskanal und andere externe
Abdeckungsflächen
auf ein Potential ähnlich
dem der Elektrode angehoben und auf diesem Potential gehalten werden,
wodurch ein Ladungsfluss von der Elektrode über alle an die Elektrode angrenzenden Oberflächen verhindert
wird.
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Das
an die Außenfläche der
Abdeckung angelegte Potential ist von entgegengesetztem Vorzeichen
zu dem der Zerstäubungströpfchen,
dies vermehrt jedoch nicht signifikant die Anziehungskraft geladener
Tröpfen
zur Düsenoberfläche gegenüber derjenigen
einer geerdeten Düsenoberfläche, und der
auf die Abdeckung auftreffende geladene Spray verursacht auch keinen
signifikanten Energieversorgungsstrom. Sobald die anfänglich reinen
dielektrischen Oberflächen
des Ladungsdüsenkörpers und der
Abdeckung mit leitenden kontaminierenden Schichten überzogen
sind, nehmen sie jeweils die elektrischen Potentiale an, die sich
demjenigen der geerdeten Montageanordnung und der Induktionselektrode
annähern.
Je weniger Strom von diesen kontaminierten Oberflächen abgeführt wird,
um so mehr nähern
sie sich jeweiligen äquipotentialen
Oberflächen
an.
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Die
Größe des elektrischen
Raumladungsfeldes, das von einer negativ geladenen Zerstäubungswolke
erzeugt wird, ist über –3 kV/cm
in einem Abstand von 10 bis 15 cm unter der Zerstäubungsstrahl-Mittellinie
am Düsenausgang
gemessen worden. Daher ist das Raumladungspotential nahe –35 kV relativ
zu einer geerdeten Düsenoberfläche und –36 kV relativ
zu einer Abdeckungsfläche,
die auf die +1 kV-Elektrodenspannung angehoben wurde. Eine geladene
Abdeckung mit +1 kV kann vorzugsweise negativ geladenen Spray anziehen,
die Kraft ist aber nur um drei Prozent größer im Vergleich zu einer Erdungsfläche ähnlicher
Geometrie und in Nähe
der Zerstäubungswolke.
Wenn sich negativ geladener Spray an der geladenen Abdeckung ablagert,
wird ein Neutralisierungsstrom von der Induktionselektrode zum Strömen gebracht,
damit die Abdeckung ihr Potential beibehält, der erforderliche Strom
ist aber sehr gering. Ausgehend davon, dass ein "Roll-back" von ein Prozent Spray zur Düse stattfindet,
wobei zwei Drittel auf die Abdeckungsfläche treffen, so würde ein
typischer 10 mA-Zerstäubungswolkenstrom nur
66 mA von der Energieversorgung der Elektrode zum Neutralisieren
des Roll-back erfordern. In der Praxis ist viel weniger als ein
Prozent Roll-back des geladenen Spray wahrscheinlich.
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Düsen können das
Roll-back geladenen Sprays und eine Teilchenablagerung an ausgewählten Düsenflächen durch
ge eignete Formung des Äußeren der
Düse weitgehend
reduzieren. Die Düsenform
erzeugt Umgebungsluft-Strömungsfelder,
günstige
elektrische Feldmuster von dem nahen Potential der geladenen Zerstäubungswolke
sowie strategische gekrümmte
elektrische Feldformen zwischen angegriffenen dielektrischen Oberflächen, auf
denen elektrische Potentiale absichtlich aufrechterhalten werden.
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Geladene
Tröpfchen,
die zur Vorderseite der Spraydüse
zurückkehren
und eine induzierte elektrische Entladungsneutralisierung der Zerstäubungswolke
sowie eine elektrische Spurbildung bewirken, sind ein Problem, das
bei allen vorbekannten kommerziellen Versionen der Law-Vorrichtung
und anderer Induktionsladungsdüsen
anzutreffen ist. Dies liegt daran, dass sie allgemein planare Oberflächen senkrecht
zu der Achse des mit Tröpfchen
geladenen Gasstrahls aufweisen. Eine Flüssigkeitsablagerung kann in
Situationen, in denen die Düse
nach oben versprüht
oder horizontal versprüht
oder in Situationen, bei denen entgegengesetzt geladene Düsen aufeinander
zu sprühen,
wie bei Weinberg-Sprühvorrichtungen,
besonders stark sein.
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Um
eine Ablagerung des Sprays auf der Düse zu reduzieren, kann die
Oberflächenbeschaffenheit
glatt gestaltet werden und ist vorzugsweise allgemeinen konisch
oder anderweitig aerodynamisch geformt, wobei sie sich nach vorne
verjüngt, um
am Strahlauslass so schmal wie möglich
zu sein. Diese konische Verjüngung
nach vorne, die an dem Hochgeschwindigkeitsstrahl endet, verursacht
die Mitführung
eines signifikanten Volumens von Umgebungsluft. Die mitgeführte Umgebungsluft
strömt über das
glatte Düsenäußere zu
dem Hauptspraystrahl und erzeugt einen Luft"vorhang" über
den Öffnungen
der Hohlräume
und hilft dabei, das Eintreten von Teilchen zu verhindern. Außerdem trägt der Luftstrom über Düsenoberflächen dazu
bei, eine Ablagerung von Verunreinigungen zu verhindern und richtet Teilchen
und zerstreute Zerstäubungströpfchen auf das
vorgesehene Ziel hin. Das mitgeführte
Gasvolumen kommt zu der Außenschicht
des aus der Düse austretenden
Hauptgasstrahls hinzu. Diese hinzukommende Masseströmung tendiert
dazu, langsamere Tröpfchen
am Außenumfang
der Zerstäubungswolke
in der vorgesehenen Richtung von der Düse wegzuschleudern, wobei elektrische
Kräfte,
die ein „Rollback" von Tröpfchen verursachen, überwunden
werden. Mit planarflächigen
Düsen tendieren
die peripheren Tröpfchen
dazu, ohne weiteres zurückzukehren
und sich auf der Düsenoberfläche anzulagern.
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Um
eine Sprayablagerung und Flüssigkeitsansammlung
weiter zu reduzieren, können
die von dem elektrischen Potential der Zerstäubungswolke ausgehenden elektrischen
Feldlinien dazu gebracht werden, sich am Vorderende der Düse in unmittelbarer
Nähe zum
Hauptgas-/Spraystrahl zu konzentrieren. Die nach vorne verjüngte Form
der Abdeckung reduziert den Ablagerungsflächenbereich unmittelbar angrenzend
an die geladene Zerstäubungswolke, und
die verstärkte
Krümmung
am Auslass bewirkt, dass der Großteil der elektrischen Feldlinien
an der leitenden Schichtfläche
unmittelbar um den Spraystrahl herum endet. Somit werden zu der
Düse zurückkehrende
geladene Tröpfchen
vorzugsweise zu diesem Bereich einer starken Krümmung hin gezogen, und da das
Luftströmungsfeld
in diesem Bereich ebenfalls stark konzentriert ist, werden alle
sich diesem Bereich annähernden
Tröpfchen
wieder in den Hauptgas-/Spraystrahl vor der Ablagerung eingeführt und
entladen sich auf der Düsenfläche. Die
kleine Flüssigkeitsmenge,
die sich auf der Oberfläche
nahe dem Strahlauslass ablagert, wird unmittelbar durch eine starke
Venturiwirkung in den Hauptgas-/Spraystrahl gezogen und wieder zerstäubt, bevor
ein Abtropfen und eine nachfolgende induzierte Ionisierung auftreten
können.
Etwas flüssiges
Zerstäubungsmaterial
kann an den stromaufwärtigen
Oberflächen
der konischen Abdeckung abgelagert werden, obwohl der Einfluss des
Zerstäubungswolkenfelds
dort durch die Distanz von der Hauptwolke und durch die kontinuierliche
glatte Form viel schwächer
ist. In diesem Fall sammelt sich die Flüssigkeit nicht ohne weiteres ausreichend
an, um abzutropfen oder um eine induzierte Ionisierung zu initiieren,
da die Flüssigkeit
stetig durch die umhüllende
Umgebungsluft, die zur Strömung des
Düsen-Hauptgasstrahls
hingeführt wird,
in den Hauptstrahl gezogen wird.
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Über die
mechanischen Ausschlussverfahren zum Schutz des Inneren von Hohlräumen und den
vom dem vorher erläuterten
Luftvorhang bereitgestellten Schutz hinaus, der über Düsenoberflächen und den Hohlraumöffnungen
durch von dem am Vorderende der Düse austretenden komprimierten
Gasstrahl mitgeführter
Umgebungsluft bewirkt wird, kann ein weiterer Schutz vor dem Eindringen
(von Verunreinigungen) durch geladenes Spray durch eine geeignete
Formgebung elektrischer Feldlinien an Hohlraumeingängen bewerkstelligt
werden, um zu bewirken, dass geladenes Spray von den Öffnungen
abgestoßen
wird. Wie vorher erläutert
wurde, bewirkt die geladene Zerstäubungswolke in der Nähe ein "Raumladungs"-Kraftfeld von der
Größenordnung von
2 bis 3 kV/cm, welches geladene Tröpfchen von dem Bereich der
geladenen Zerstäubungswolke
zu dem vorgesehenen geerdeten Ziel hin treibt. Dieses Raumladungsfeld
ergibt auch elektrische Feldlinien, welche an der Düse selbst
enden. Die Energie des Gasträgers
ist ausreichend, um annähernd
den gesamten Spray von der Düse
wegzuschleudern, aber ein Teil bewegt sich zu den Düsenoberflächen entlang
dieser Feldlinien. Diese Raumladungs-Feldlinien enden senkrecht
an leitenden verunreinigten Düsenoberflächen. Zusätzlich zu
dem durch das Vorhandensein der geladenen Zerstäubungswolke erzeugten Feld
sind auch starke elektrische Felder zwischen der Hochspannungsabdeckung
und den Niederspannungs-Körperflächen der
Düse gemäß der vorliegenden
Erfindung vorhanden. Diese beiden Felder sind in der Strömungsrichtung
komplementär. An
planaren Oberflächen
sind die Feldlinien gleichmäßig beabstandet,
aber an Oberflächenunebenheiten
sind die elektrischen Feldlinien viel stärker konzentriert. Ein Option
besteht darin, Unebenheiten oder Feldkonzentratoren an der Düsenfläche zu planieren,
um die Feldintensität
zu konzentrieren und um elektrische Feldlinien einer gekrümmten Form
zu bewirken, die sich sowohl aus dem Potential der Zerstäubungswolke
als auch dem absichtlich an Düsenoberflächen aufrechterhaltenen
Potential ergeben. Geladene Spraytröpfchen, die sich den gekrümmten Feldlinien
annähern,
erfahren starke Zentrifugalkräfte
und werden von den Hohlraumöffnungen
nach außen
in das umgebende Luftströmungsfeld
geschleudert und wieder in die Hauptzerstäubungswolke eingeführt, die
auf das vorgesehene Ziel gerichtet ist.
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In
einer bevorzugten Anordnung weist die Außenfläche der Abdeckung allgemein
eine nach vorne konvergierende Konusform auf und umgibt die Zerstäubungs-
und Aufladungszone. Die Abdeckungsfläche ist vorzugsweise ein dielektrisches
Material und wird hinreichend konta-miniert, wenn sie einer Zerstäubungsumgebung
ausgesetzt ist, wobei sie geringfügig leitend wird. Daher wird
eine günstige elektrische
Feldgrenze aufrechterhalten, welche das interne Ladungs-Induktionsfeld
umgibt, um dieses wirksam von dem entgegengesetzten Raumladungsfeld
zu entkoppeln, welches durch das Vorhandensein des stark geladenen
Sprays erzeugt wird, der vom Düsenauslass
emittiert wird.
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Die
vorher erläuterten
geschützten
Hohlraum-Innenflächen
der Düse
ergeben eine hohe Impedanz zwischen der Düsenelektroden-Stromversorgung
und Erde, und reduzieren signifikant den Strom von der Stromversorgung
im Vergleich mit vorbekannten Düsen.
Diese hohe Impedanz ermöglicht nun
die erfolgreiche Implementierung eines resistiven Schutzelements
in Reihe mit der Düse
zwischen der Stromversorgung und der Induktionsladeelektrode, ohne
einen signifikanten Spannungsabfall an der Elektrode zu erleiden.
In einer bevorzugten Anordnung sollte dieses resistive Element in
der Düse selbst
enthalten sein. Eine Konfiguration, bei der die Stromversorgung
in der Düse
angebracht ist, würde einfach
einen Widerstand an dem Stromversorgungsausgang aufweisen. Im Fall
von mehreren Düsen,
die mit einer entfernten Stromversorgung verbunden sind, könnte ein
Widerstand zusätzlich
zu den einzelnen resistiven Elementen in den Düsen in dem Stromverniert sein.
sorgungsweg plaOder Widerstände
mit Mehrfachausgängen
könnten
in dem Stromversorgungsweg selbst mit direkten Verbindungen zu der
Düse planiert
sein. Es kann auch resistiver Draht angewandt werden, um diese Aufgabe
zu erfüllen. Falls
Mehrfachdüsen
von einer einzigen Quelle mit Energie zu versorgen sind, wird bevorzugt, einen
Ausgangswiderstand für
jede Düse
anzuwenden, um zu verhindern, dass eine kurzgeschlossene Düse die anderen
beeinflusst. Einer der Vorteile einer resistiven Leitung zwischen
dem Stromversorgungsausgang und der Düsenelektrode mit hoher Impedanz
ist die Sicherheit. Das System kann so gestaltet werden, dass kein
bemerkenswerter Schock auftritt, wenn eine mit Energie versorgte
Düse gehandhabt wird.
Weitere Vorteile, die infolge eines Reihenwiderstands zu beobachten
sind, der gemeinsam mit einer Düse
hoher Impedanz verwendet wird, bestehen in der erheb-lichen Verringerung
eines infolge induzierter elektrischer Ionisierung des Flüssigkeitsstrahls abgezogenen
Stromversorgungsstroms und folglich eines Ionenstroms von der Induktionselektrode.
Solche Ionenströme
sind in vobekannten Düsen
festgestellt worden, sobald die Elektrode benetzt wurde oder freiliegende
Ränder
bzw. Kanten oder andere Oberflächenunebenheiten
aufwies.
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Die
Art der Düse
mit hoher Impedanz eignet sich zum erfolgreichen Positionieren der
Stromversorgung an oder in der Düse.
Der reduzierte Energieversorgungsstrom und die reduzierte Spannung
ermöglichen
nicht nur die Verwendung von stark miniaturisierten DC-DC-Wandlern,
die bequem an der Düse
angebracht oder in diese aufgenommen werden können, sondern es können auch
die Niederspannungsleitungen oder die Batterie, die eine Eingabe
zum Stromwandler bereitstellen, vor einer Beschädigung infolge einer an der
Elektrode entstehenden elektrischen Spurbildung geschützt werden.
In vorbekannten Gestaltungen wie der von Law, bei der die Stromversorgung
an der Düse
angebracht und nicht in ihr enthalten war, gingen die Niederspannungsleitungen
von einer Oberfläche
der Düse
aus, die einer Kontaminierung und Spannung und Strom von der Elektrode
ausgesetzt war. Falls die Stromversorgung an der Düse anzubringen
oder in einem Abschnitt derselben einzugliedern ist, würde die
bevorzugte Anordnung die von dem Niederspannungsabschnitt einer
Düse hoher
Impedanz wie der hier offenbarten ausgehenden Niederspannungseingangsdrähte oder
-verbinder aufweisen. Dies würde
verhindern, dass Schichten kontaminierenden Materials an den Außenflächen der
Drahtisolierung oder einer die Verbinder umgebenden Isolierung ein
elektrisches Potential von annähernd
dem der Elektrode erreichen, was in einem elektrischen Zusammenbruch der
Isolierung resultieren würde.
Die Stromversorgung selbst könnte
an dem Hochspannungsabschnitt mit den vor einer Kontaminierung geschützten Niederspannungseingangsleitern
angebracht sein, indem sie in dem Niederspannungs-Düsenabschnitt positioniert
würden.
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Ein
zusätzliches
bevorzugtes Merkmal der Düse
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist die Verwendung eines harten, abtragungs- bzw. verschleißfesten
Materials, das in dem Zerstäubungskanal
aufgenommen ist, um ein vorzeitiges elektrisches oder mechanisches
Ausätzen
dieses Kanals zu verhindern. In der bevorzugten Ausführungsform
wird Keramik wegen seiner Abtragungsfestigkeit und elektrischen
Isoliereigenschaften gewählt.
Bestimmte Keramiktypen, die elektrisch leitend gemacht werden, können als
Elektrodenmaterial verwendet werden. Die abtragungsfeste Elektrode
kann einen Abschnitt der Wände
des Zerstäubungskanals
oder die gesamte Kanalfläche
bilden.
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In
der bevorzugten Anordnung ist der Zerstäubungszonenkanal eine gerade
Bohrung, die zu dem Strahlauslass divergiert, im Gegensatz zu einem
konvergierenden Kanal, der in vorbekannten Gestaltungen verwendet
wurde und den Aufbau von Material in dem Kanal oder am Strahlauslass
bewirken kann.
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Zusätzlich zu
diesen Aufgaben, Merkmalen und Vorteilen der vorliegenden Erfindung
gehen weitere Aufgaben, Merkmale, Vorteile und Vergünstigungen
der Erfindung aus der Bezugnahme auf den Rest dieses Dokuments hervor.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Es
zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht
einer zusammengebauten ersten Ausführungsform der Induktionszerstäubungs-Aufladedüse gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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2 eine perspektivische Ansicht
einer auseinandergebauten ersten Ausführungsform der Induktionszerstäubungsdüse gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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3 eine Schnittansicht der
ersten Ausführungsform
der Induktionszerstäubungsdüse gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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4 eine detaillierte perspektivische
Ansicht des Doppelfluidspitzenabschnitts einer Ausführungsform
der Induktionszerstäubungs-Aufladedüse gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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4 eine detaillierte perspektivische
Ansicht des Doppelfluidspitzenabschnitts einer Ausführungsform
der Induktionszerstäubungs-Aufladedüse gemäß der vorliegenden
Erfindung, bei dem Kanäle dazu
verwendet werden, Luft in die Zerstäubungszone zu leiten,
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5 eine Schnitt-Aufrissansicht
einer zweiten Ausführungsform
der Induktionszerstäubungs-Aufladedüse gemäß der vorliegenden
Erfindung, die eine Haube aufweist,
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6 eine perspektivische Ansicht
einer dritten Ausführungsform
des Düsensystems
gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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7 das mitgeführte Luftströmungsfeld und
das an eine Düse
angelegte elektrische Feld gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung,
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8 das mitgeführte Luftströmungsfeld und
das an eine Düse
angelegte elektrische Feld gemäß der vorliegenden
Erfindung mit einer über
den Ausnehmungen bzw. Hohlräumen
installierten Haube zum mechanischen Schutz der Oberflächen sowie zum
Erzeugen eines verstärkten
gekrümmten
elektrischen Feldes, um geladene Partikel auszuschließen,
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9 eine vierte Ausführungsform
der Induktionsladedüse
gemäß der vorliegenden
Erfindung, wobei resistive Elemente innerhalb der Düse zwischen
dem Energieversorgungsauslass und der Düsenelektrode installiert sind,
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10 einen halb-logarithmischen
Graphen des Elektrodenwiderstands gegenüber Erde, gemessen über eine
Zeitspanne, in der ein gewöhnliches, hochleitendes
landwirt schaftliches Gemisch gespritzt wird, wobei eine vorbekannte
Düse mit
einer Düse gemäß der vorliegenden
Erfindung verglichen wird,
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11 eine graphische Darstellung
des im Zeitverlauf erreichten Aufladungspegels für eine Düse gemäß der Erfindung im Vergleich
mit denjenigen einer vorbekannten Düse,
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12 einen halblogarithmische
graphische Darstellung des typischen Energieversorgungsstroms, der über eine
Zeitspanne von einem Tag erforderlich ist, um eine Düse gemäß der Erfindung
zu betreiben, im Vergleich zu demjenigen für eine vorbekannte Düse, und
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13 eine schematische Darstellung
eines Zerstäubungs-Aufladedüsensystems,
bei dem ein Widerstand zwischen die Energieversorgung und eine Düse mit einer
kontaminierten resistiven Oberfläche
eingefügt
ist.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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1 zeigt eine Form einer
bevorzugten Ausführungsform
von Induktions-Aufladedüsen
gemäß der vorliegenden
Erfindung. In dieser Ausführungsform
besteht die Düse
im wesentlichen aus einem Körper 1 und
einer Abdeckung 2. Der Flüssigkeitseinlass 8,
Gaseinlass 7 und elektrische Eingang 9 sind an
der Rückseite
des Körperabschnitts 1 gelegen.
Geladenes Spray in einem Gasträger 15 wird vom
Vorderende der Düse über den
Auslass 33 emittiert. Die konisch geformte Abdeckung 2 der
Düse verjüngt sich
zur Auslassseite 24 hin. Ein Haube 30 ist an dem
Körperabschnitt 1 der
Düse positioniert dargestellt.
Gemäß 2, die eine zerlegte Ausführungsform
zeigt, kann die Abdeckung 2 vorzugsweise einfach von dem
Körper 1 abgenommen
werden, wobei die Innenbereiche zur Wartung freiliegen. Die Abdeckung 2 ist
vorzugsweise am Körper 1 befestigt und
unter Verwendung von Gewinden 3 oder durch Schrauben, Verriegelungen
oder andere Befestigungsmittel einfach trennbar, die eine Demontage zur
Inspektion, zur Reinigung und zum Zusammenbau ohne Fehlausrichtung
oder Beschädigung
durch ungeübte
Personen, und vorzugsweise ganz ohne Werkzeuge oder unter Verwendung üblicher
Werkzeuge ermöglichen.
Das stromabwärtige
Ende des Körpers
ist zu einer Doppelfluidspitze 12 mit einem Gasauslass 21 und
einem Plenum 13 sowie einer Flüssigkeitsmündungsspitze 16 geformt.
Ein elektrischer Kontakt mit der Stromversorgung kann über eine
Kontaktklemme 23 vorgenommen werden, die mit der in 3 gezeigten ringförmigen leitenden Oberfläche 19 zusammenpasst.
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Es
wird wieder auf 3 eingegangen,
in der eine Schnittansicht einer Düse gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung dargestellt ist, und bei der der Düsenkörper 1 aus einem dielektrischen
Material gebildet ist, vorzugsweise mit geringer Oberflächenbenetzbarkeit,
niedrigen Oberflächen-
und Volumen-Leitfähigkeitswerten
und schwachen Oberflächen-Haftungseigenschaften.
Der Körper 1 enthält Leitungen
für Gas 4,
Flüssigkeit 5 und elektrische
Energie (in dieser Ansicht nicht dargestellt, siehe 9, Bezugsziffer 6). Die Eingänge von Gas 7,
Flüssigkeit 8 und
elektrischer Energie (siehe 1,
Bezugsziffer 9) befinden sich vorzugsweise an der Rückseite 10 des
Körpers 1 in
größtmöglichem
Abstand von der Fläche
bzw. Seite 24 der Düse.
Der Gaseingang 7 kann so gestaltet sein, dass er auf Wunsch
ein Filtersieb 11 aufnimmt.
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Die
Fluidleitungen 4 und 5 sowie die elektrische Leitung
werden für
gewöhnlich
kontinuierlich durch den Düsenkörper 1 ohne
Säume oder
Trenneinrichtungen in dem Körper
ausgebildet. Es ist nicht erwünscht,
einen Saum bzw. eine Naht zuzulassen, die verunreinigt werden kann
und daher die Flüssigkeit
der Induktionselektrodenspannung durch Streuströme an den Düsenoberflächen aussetzen kann. In einigen
Fällen
kann es erwünscht
sein, dass die Stromversorgung in dem Düsenkörper 1 eingekapselt
oder an diesem angebracht ist, wodurch ein Hochspannungsdraht von
außerhalb
des Körperabschnitts 1 eliminiert
wird.
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Der
Körper
endet in einer Doppelfluidspitze 12, wie er in 2 und in einer leicht modifizierten Version
in 4 gezeigt ist. Wie
aus 3 hervorgeht, endet
die Gasleitung durch den Körper 1 an
einem Auslass 21 in einem Plenum 13, welches die
Basis der Doppelfluidspitze 12 umgibt. Der äußere Rand 22 des
Plenums 13 kann dazu dienen, gegen die Basis des Plenums 26 im
Abdeckungsabschnitt 2 abzudichten. Eine zusätzliche
Abdichtung kann durch eine flexible Dichtung 17 gegen den
im Innern der Abdeckung 2 ausgebildeten Rand 25 vorgesehen sein.
Diese Dichtung verhindert ein Entweichen von Gas und dient auch
dazu, die Stromwege an der Innenfläche zu begrenzen. Druckbeaufschlagtes
Gas aus dem Plenum 13 kann über mehrere Öffnungen 14,
welche die Basis der Doppelfluidspitze gemäß 4 umgeben, geleitet werden, oder die
Basis 34 der Doppelfluidspitze 12 kann wie in
den 2 und 3 schmal und glatt gestaltet
sein, um zu ermöglichen, dass
Gas vollständig
um den Umfang der Basis 34 herumströmt. Letzteres wird für eine maximale
elektrische Isolierung der Fluidspitze 12 bevorzugt. Falls ein
Gaskanal in diesem Bereich benötigt
wird, um den Luftstrom zu leiten, werden jedoch geschlitzte Kanäle 14 Löchern vorgezogen,
da die Seitenwandflächen
der Schlitze freiliegen, wenn die Abdeckung 2 entfernt
wird, und sie einfacher gereinigt werden können als das Innere von Löchern. Diese
Schlitze können
in der Axialrichtung des Spraystroms 25 eingebracht sein,
oder die Schlitze 14 können
unter einem Winkel (wie in 4 gezeigt)
ausgebildet sein, wenn eine radiale Bewegung des austretenden Gases
erwünscht
ist, um einen breiteren Zerstäubungswinkel
zu erzeugen.
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Die
Flüssigkeitsleitung 5 endet
am Auslass der Flüssigkeitsmündungsspitze 16.
Im allgemeinen wird bevorzugt, dass die Mündungsspitze 16 stromauf
der Elektrode 18 plaziert ist, wie in 3 gezeigt ist. Es hat sich aber herausgestellt,
dass die Anbringung dieser Spitze 16 auch variiert werden
kann, um eine gewünschte
Zerstäubung
sowie Aufladequalitäten
zu erzielen, und um die Flüssigkeits-Strömungsrate
zu variieren.
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Es
wird wieder auf 3 eingegangen,
wobei im Innern des Vorderendes der Abdeckung 2 der Düse ein Gasplenum 26 ausgebildet
ist, welches die Basis 34 der Doppelfluidspitze 12 umgibt.
Das Gasplenum 26 dient dazu, die Strömung druckbeaufschlagten Gases
in die Zerstäubungszone
auszu gleichen, zu beschleunigen und zu führen, und kann einen Teil der
Wand des Zerstäubungskanals 35 bilden.
Die Form des Plenums 26 ist allgemein als ein in einen
Zylinder übergehender
Kegelstumpf dargestellt, der für
ein eng geführtes
Spray gut funktioniert, es können
aber auch andere Konfigurationen eingesetzt werden, die ein modifiziertes
Spraymuster ergeben. Das um die Basis der Spitze 12 positionierte Gasplenum 26 trägt dazu
bei, den Bereich von einer groben Verschmutzung frei zu halten,
wenn er druckbeaufschlagt wird. Wenn der Gasdruck abgestellt wird,
kann Sprühflüssigkeit
in die Zerstäubungszone 35 und
den Plenumbereich 26 tropfen, und aus diesem Grund wird
bevorzugt, einen einfachen Druckschalter einzusetzen, um die Elektroden-Energieversorgung
zu steuern. Andernfalls könnte
es zu einem Funkenschlag zwischen der Elektrode 18 und
der Spitze 16 bei nicht vorhandener Gasströmung kommen.
Es wird auch bevorzugt, dass der Gasdruck für kurze Zeit, nachdem die Flüssigkeitsströmung angehalten
wird, bestehen bleibt, um die Spitze 16 der verbleibenden
Flüssigkeit
durch die Venturi-Wirkung zu reinigen.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird eine leitende Induktionselektrode 18 in
geeigneter Weise so positioniert, dass ihre Innenfläche einen
Teil der Wand des Zerstäubungskanals
bildet, vorzugsweise stromab der Flüssigkeitsmündungsspitze 16. Vorzugsweise
vor oder stromab der Elektrode befindet sich der Zerstäubungskanal-Strahlauslass 33,
der dazu dient, den Spraystrahl zu leiten und die Vorderkante der
Elektrode zu bedecken. Der Strahlauslass 23 ist vorzugsweise
aus abtragungsfesten Materialien wie Keramik gebildet, muss es aber
nicht sein. Es ist nicht nötig, dass
der Auslass 33 nicht-leitend ist, und es können schwerleitende
Materialien wie rostfreier Stahl gewählt werden, obwohl Isoliermaterialien
für die
persönliche
Sicherheit vorzuziehen sind. Vorbekannte Induktionsaufladedüsen tendieren
dazu, in dem Strahlauslassbereich zu verschleißen oder sich zu verschlechtern,
wenn Flüssigkeiten,
die abrasive Pulver oder aggressive Chemikalien enthalten, zerstäubt werden.
Düsen gemäß der vorliegenden
Erfindung umfassen einen Strahlauslass, der vorzugsweise aus Keramik
gebildet ist. Typischerweise wird ein industrieller Tonerde-Keramikstoff
für diesen
Zweck wegen seiner extrem hohen Widerstandskraft gegenüber Verschleiss
und Zersetzung durch Säurelösungen,
alkalische Lösungen,
Salze und Lösemittel
gewählt.
Tonerde-Keramikstoffe
weisen einen Härtegrad
auf, der fast alle anderen Materialien übertrifft. Außerdem zeigen
diesen Arten von Keramikstoff eine hohe dielektrische Stärke, eine
hohe Oberflächenbeständigkeit,
eine geringe Oberflächenbenetzbarkeit und
eine geringe Porosität.
Die keramische Form kann unter Verwendung von standardmäßigen keramischen
Teileformungstechniken geformt werden. Bestimmte Tonerde-Keramikstoffe
eines Typs mit mit Glas gebondetem Glimmer, wie zum Beispiel das Corning-Erzeugnis "MACOR" sind besonders geeignet
für die
Ausbildung des Strahlauslasses 33 durch gewöhnliche
Bearbeitungsverfahren. Andere Materialien, die für diese Anwendung geeignet
sind, umfassen bestimmte abtragungsresistente Kunststoffe. Diese
können
Kohlenstofffasern enthalten, welche den Kunststoff elektrisch leitend
machen. Mit solchen Materialien können die Komponenten, welche
die Wände
der Zerstäubungszone
bilden, wie zum Beispiel die Elektrode 18 und der Strahlauslass 33,
einstückig
ausgebildet werden. Dies Lösung
vermeidet das Problem des Einbettens einer metallischen Elektrode
und vereinfacht die Herstellung und die Gestaltung der Düse sehr.
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Die
Hauptkonzepte dieses elektrostatischen Zerstäubungssystems umfassen die
Aufrechterhaltung von Oberflächenpotentialen
an ausgewählten Düsenkomponenten
und die Aufrechterhaltung eines hochresistiven Pfads von der Elektrode 18 zur
Erde. Die Hauptvorteile umfassen die Verhinderung einer Oberflächenstrom-Spurbildung,
die Verringerung einer induzierten Ionisierung an der Düsenfläche, eine Verringerung
in der Größe und in
der Ausgangsleistung der Stromversorgung und eine erhöhte Sicherheit.
Um einen Oberflächenladungsstrom
zu eliminieren, werden die äußeren und
inneren Düsenflächen, die
mit der Elektrode 18 durch Oberflächenverunreinigung in Kontakt
kommen, auf einer Spannung ähnlich
der der Elektrode 18 gehalten. Der Körper der Düse 1 wird ausreichend
von der Abdeckung 2 isoliert, so dass im Fall der Kontaminierung
der rückwärtigen Basisflächen 10 diese
sich annähernd
auf Erdungspotential befinden, mit einem minimalen Strom zu Fluidverbindungen 7 und 8 und
geerdeten Zerstäuberteilen,
mit denen der Körper 1 schließlich verbunden
werden kann.
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Ein
Verfahren zur Erzielung eines hohen elektrischen Widerstands zwischen
der Elektrode 18, der Düse
und geerdeten Abschnitten besteht im physischen Schutz ausgewählter Abschnitte
der Düsenflächen vor
Verunreinigung durch Spray oder andere Materialien, die sich auf
der Düse
ablagern und die Bildung von Streustromwegen bewirken können. Die Ausführungsformen
der 2 und 3 zeigen ein Beispiel einer
strombegrenzenden Ausnehmung 28, die am Körperabschnitt 1 ausgebildet
ist, und einer zusätzlichen
strombegrenzenden Ausnehmung 29, die im Abdeckungsabschnitt 2 ausgebildet
ist. Die Ausnehmungen bzw. Hohlräume 28, 29,
die ringförmig oder
von irgendeiner anderen gewünschten
Form sein können,
erzeugen Bereiche, welche teilweise vor Spray oder anderen Verunreinigungen
geschützt sind,
wobei eine hochresistive Oberfläche
gewährt wird.
Aufgeladener Spray, der von elektrischen Feldlinien getrieben zu
der Düse
zurückkehrt,
hat keine ausreichende kinetische Energie, um ohne weiteres in die
Tiefe der Ausnehmung vorzudringen, und lagert sich meistens am Rand
der Ausnehmung ab, wo sich die Feldlinien konzentrieren. Falls Spraymaterial oder
andere Flüssigkeiten
schließlich
innerhalb der Ausnehmung 28 oder 29 abgelagert
werden, ist deren Menge für
gewöhnlich
gering, und Flüssigkeit sammelt
sich nicht an, um einen kontinuierlichen Pfad zu bilden, wobei Flüssigkeitsfilme
viel stärker leitend
sind als diskrete kleinen Tröpfchenablagerungen.
Die Hohlräume 28, 29 können periodisch
gereinigt werden, und sind einfachzugänglich, wenn die Abschnitte
des Körpers 1 und
der Abdeckung 2 getrennt werden.
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Im
Fall von Düsen,
die unter bestimmten harten bzw. aggressiven Bedingungen arbeiten,
können Gasströme 40 (in 3 gezeigt) in die Ausnehmung 28, 29 geleitet
werden, um kontinuierlich oder periodisch das Innere der Ausnehmung
zu reinigen. Wenn beispielsweise die Zerstäubungsgaszufuhr kein Problem
ist, könnte
ein Teil des Gases durch mehrere Löcher 40 kleinen Durchmessers
geleitet werden, die radial oder etwas tangential außerhalb
der Gasleitung 4 gebohrt sind, wobei ein Druckgradient
sowie eine aktive Gasausspülung
aus dem Körperhohlraum 28 erzeugt
wird, um eine Teilchenablagerung im Innern auszuschließen.
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Ein
weiterer Schutz vor Oberflächenkontaminierung
in dem Innern der Ausnehmung wird durch Hinzufügen von Abschirmungen zum mechanischen Schutz
und zur Erzeugung günstig
geformter elektrischer Feldlinien bereitgestellt, um den Eintritt
geladener Tröpfchen
zu verhindern. Ein Beispiel einer solchen Abschirmung ist in der
Schnittansicht der 5 gezeigt
(es können
aber auch andere Strukturen oder Formen angewandt werden). Diese äußere Abschirmung
in Form einer Haube 30 dient dazu, Düsen-Außenflächen sowie die Oberflächen der
Düsenkörper-Ausnehmung 28 und
der Ausnehmung der Abdeckung 29 noch besser zu schützen. Die
Haube 30 kann wie dargestellt für abwärtsgerichtete Düsenausrichtungen
planiert sein, oder umgekehrt und an der Abdeckung am Sitz 31 für aufwärtsgerichtete
Düsen Orientierung
befestigt sein. Außerdem
kann eine weiterer Schutz durch die Anordnung einer dielektrischen
ringförmigen,
scheibenförmigen
Sperre 32 hinzugefügt
werden, die zwischen den Körper
und die Abdeckung planiert wird. Diese Sperre 32 bedeckt die
Hohlräume 28, 29 und
erzeugt eine Kombination von Oberflächen, um den Eintritt und die
Oberflächen-Ablagerung
von geladenem Spray oder anderen Verunreinigungen abzulenken oder
anderweitig zu begrenzen, welche in Luftströmen um die Düse herum
wandern können.
Die äußere Haube 30 und innere
Sperre 32 können
als integraler Teil des Düsenkörpers hergestellt
sein oder separat ausgebildet sein, vorzugsweise aus einem dielektrischen
Material mit geringer Oberflächen-Benetzbarkeit,
geringem Volumen und geringer Oberflächenleitfähigkeit sowie schwachen Oberflächenhaftungseigenschaften,
wie z. B. UHMW oder PTFE. Eine weitere Abschirmungskonfiguration,
um hochresistente Durchgangswege von der Elektrode 18 der
Düse zur
Erde beizubehalten, ist in 6 gezeigt.
In dieser beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist eine grundsätzlich haubenförmigen Abschirmung 36 zwischen
einer Ladedüse 38 und
einem geerdeten Sprayerteil 39 planiert. In diesem Beispiel
bilden die Gas- und/oder
Flüssigkeitsleitungen,
welche an der Rückfläche 10 der
Düse eintreten,
dielektrische Abstandhalterstruktur 37. Die Abschirmung 36 schützt mechanisch
den dielektrischen Abstandhalter 37 vor Verunreinigung.
Sie modifiziert auch vorteilhaft das elektrische Feld, um eine Ablagerung
von geladenen Tröpfchen
an der Innenseite der Abschirmung zu verhindern.
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Zusätzliche
Hauben, Ausnehmungen oder andere Abschirmungsverfahren können dem
Düsenkörper, der
Abdeckung, den Düsen-Montageteilen, Rohren
oder Drähten
hinzugefügt
werden, die aufeinander planiert werden, um ein Labyrinth zu bilden, oder
die anderweitig hinzugefügt
und/oder konfiguriert sein können,
falls ein stärkerer
Grad an Isolierung notwendig ist. Oft bieten perforierte äußere Abschirmungen
einen Schutz vor einer Elektro-Ablagerung an Innenflächen, während sie
ein Entweichen von angesammelter Flüssigkeit (oder Regen) gestatten.
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Die
Düsenflächen sind
so konfiguriert, dass sie die Form und Konzentrierung der elektrischen Raumladungsfeldlinien,
die auf die verschiedenen Oberflächen
des Körpers 1 und
der Abdeckung 2 einwirken, zum Zweck der günstigen
Beeinflussung der Flugbahn der zur Düse zurückkehrenden geladenen Spraytröpfchen beeinflusst.
Eine in geeigneter Weise geladene Zerstäubungswolke, die von einer
Induktionsladedüse
emittiert wird, erbringt typischerweise ein passives Raumladungsfeld
einer Größe von 2
bis 4 kV/cm an planaren Düsenoberflächen. An
planaren, glatten, kontinuierlichen, Verunreinigungen leitenden
Oberflächen
der Düse
enden die Raumladungsfeldlinien gleichmäßig beabstandet und senkrecht.
Wenn winklige Oberflächenunebenheiten
angetroffen werden, enden die Feldlinien immer noch senkrecht, werden
aber an konvexen Formen stärker konzentriert
und im Innern konkaver Formen weniger konzentriert. Für die Düse werden
Potentiale an Düsenoberflä-chenschichten
aufrechterhalten, und Ausnehmungsränder und andere Düsenflächen werden absichtlich
so geformt, dass ein gekrümmtes
aktives elektrisches Feld angelegt wird, um Düsenflächen vor einer Ablagerung geladenen
Sprays zu schützen. Geladene
Tröpfchen,
die sich entlang solcher gekrümmter
Feldlinien bewegen, erfahren starke Zentrifugalkräfte, welche
sie wirksam von dem Ausnehmungs-Öffnungsbereich
und von der Düse
weg in ein Luftströmungsfeld
abstoßen,
womit diese Zonen vor einer Ablagerung geschützt sind.
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Für das in 7 gezeigte Beispiel ergeben Oberflächenverunreinigende
Felder, die sich an dem an den geerdeten Sprayerteilen angebrachten
Körperabschnitt
ausbilden, eine geerdete Oberfläche des
Körperabschnitts 1.
Oberflächen 50 des
Abdeckungsabschnitts 2 weisen jeweils ein Potential nahe dem
der Elektrode 18 auf. Dies ergibt die Bildung eines elektrischen
Felds in dem die beiden Abschnitte trennenden Raum. In der in 7 gezeigten Ausführungsform
konzentrieren sich die Feldlinien an den Rändern 54, 55 der
jeweils gegenüberliegenden
Ausnehmungen 28, 29, um starke, gekrümmte elektrische
Feldlinien 60 zu erzeugen, wie gezeigt ist. Geladene Tröpfchen,
die zur Düse
entlang elektrischer Raumladungs-Feld-linien, welche an der Zerstäubungswolke
entstehen, zurückkehren,
werden daran gehindert, in die Ausnehmungen einzutreten, da sie, wenn
sie in dem zunehmend intensiven gekrümmten Feld mitgeführt werden,
sich beschleunigen, und da die Zentrifugalkraft bewirkt, dass die
Tröpfchen
aus der stark gekrümmten
Bahn der Feldlinien hinaus ausgetragen und in dem die Spraydüse umgebenden Luftströmungsfeld 61 mitgeführt werden.
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Das
Luftströmungsfeld 61 und
dieses aktive elektrische Feld 60 wirken zusammen, wobei
sich jedes zerstreute geladene Tröpfchen in der Richtung des
vorgesehenen Zerstäubungsziel
bewegt. Während
negativ geladene Tröpfchen,
die sich aus einer positiven Induktionselektrode ergeben, für den Zweck
des Beispiels verwendet werden, ist diese resultierende, zielgebundene
Richtung der sich in dem gekrümmten
Feld bewegenden Tröpfchen
die gleiche, ungeachtet der Polarität der Induktionselektrode.
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Gemäß 8 wird die Hinzufügung einer
in geeigneter Weise ausgebildeten Haube 30 über den Ausnehmungsöffnungen
dazu verwendet, ein sehr intensives gekrümmtes Feld 62 über dem
Eingangsweg zwischen dem Haubenrand 56 und einer an der Düsenabdeckung 2 gebildeten
Kante 57 zu bilden. Ein typisches positives 800 V-Potential
an der Oberflächenschicht
der dielektrischen Abdeckung 2, die einen halben Zentimeter
von einer Erdungsebene positioniert ist, erzeugt ein lineares elektrisches
Feld von 1,6 kV/cm. Im Fall einer scharfen Kontur, die strategisch
am Körper
gegenüber
einer scharfen Lippe an einer geerdeten Haube ausgebildet ist, ist
die Feldform gekrümmt
und kann so gestaltet werden, dass sie sich der Stärke des
dielektrischen Zusammenbruchs von Luft annähert, falls dies gewünscht wird,
obwohl eine solche Feldstärke
unerwünscht
ist, da der resultierende Ionenstrom den Bedarf an Energiezufuhr
erhöht.
Es ist eine viel geringere Feldstärke erforderlich, um die Abstoßung von
30 mm-Tröpfchen,
die auf einen Pegel von –5mC/kg
geladen sind, durch Zentrifugalkraft zu bewirken. Unter erschwerten
Bedingungen, bei denen sich Flüssigkeit
an der Haube 30 oder an der Rückseite des Körpers 1 ansammelt,
bewegt sich die Flüssigkeit
zu dem Haubenrand 56 und wird in das gekrümmte Feld 62 vor Bildung
von zu Ionisierung neigenden Tröpfchenpunkten
gezogen. Diese Flüssigkeit
tendiert dazu, zur Abdeckung 2 hin gezogen zu werden, wobei
die Ausnehmungen 28, 29 entlang gekrümmter Linien vermieden
werden, und wird durch Venturi-Wirkung in den Strahl gezogen und
wieder zerstäubt.
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Die
Ausnehmungsränder 54, 55 benutzen das
elektrische Feld, das aktiv zwischen der Düse und den Ausnehmungsrändern aufrechterhalten wird,
wobei das Feld so geformt wird, dass es eine Abstoßung von
Tröpfchen
von geschützten
Oberflächenstellen
fördert.
Demgegenüber
ist das Vorderende der Düse 58 so
geformt, dass es Tröpfchen
zu der Vorderfläche 24 am
Auslass 33 hinzieht, wobei das passive elektrische Feld 63 benutzt
wird, das von der nahen geladenen Zerstäubungswolke erzeugt wird. Die
scharfen konvexen Formen an dem vorderen Düsenende 58 und die
unmittelbare Nähe
dieser Oberfläche
an der geladenen Zerstäubungswolke
erzeugen eine intensive Konzentration von Feldlinien um die Fläche des
Auslasses 24. Geladene Tröpfchen bewegen sich zu dem
Düsen-Vorderende 58 und werden
meistens in den Spray-strahl wieder eingeführt und zum Ziel hin getrieben,
bevor sie auf die Düse
auftreffen. Sprayflüssigkeit,
die sich nicht ablagert, wird entlang der Oberfläche 50 geleitet, und durch
die starke Venturiwirkung wieder zerstäubt in den Strahl geführt.
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Der
Hochgeschwindigkeits-Gaszerstäubungsstrahl
wird dazu verwendet, etwaige geladene oder ungeladene Sprays, die
dazu tendieren, sich an den Düsenoberflächen anzusammeln,
abzustoßen und/oder
auszustoßen.
Die lokal anzutreffende hohe kinetische Energie und Geschwindigkeit
des Zerstäubungsgasstrahls,
wenn dieser und die begleitenden geladenen Tröpfchen aus dem Strahlauslass 33 austreten,
erzeugen eine reduzierte Druckzone, welche jegliches Spray, das
dazu tendiert, sich an den kleinen Flächenbereichen des abtragungsresistenten Auslasses 33,
der Fläche
des Auslasses 24 oder anderen Oberflächen 50 der Abdeckung 2 abzulagern und/oder
anzusammeln, in den Strahl zieht. Gemäß dem Gesetz des Erhalts des
Trägheitsmoments übertragen
molekulare Aufschläge
des zentralen Gasstrahls hoher Geschwindigkeit, der aus der Düse am vorderen
Strahlauslass 33 austritt, auf die umgebende Luft Geschwindigkeit
und führen
ein signifikantes Volumen derselben mit. Dieses Mitführen beschleunigt
zusätzliche
Luftvolumen, die entlang externen Oberflächen des Düsenkörpers 1 und der Abdeckung 2 strömen, in
den aus der Düse
austretenden zentralen Hochgeschwindigkeits-Gas/Spray-Hauptstrahl. Solche
gesteuerten Luftbewegungen entlang geeignet konturierten Düsenflächen sind
günstig,
um abgelagerte Flüssigkeit abzutragen,
bevor sie sich hinreichend ansammeln kann, um induzierte elektrische
Entladungsspitzen zu initiieren. Außerdem werden kleine, in der
Luft getragene Spraytröpfchen
und andere kontaminierende Teilchen, die unvermittelt in die Schutzhohlräume diffun dieren,
durch eine Vakuum- oder Venturiwirkung abgezogen, ähnlich Zigarettenrauch,
der aus dem Innern eines fahrenden Fahrzeugs durch ein leicht geöffnetes
Fenster abgezogen wird.
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Die
vorliegende Erfindung kann das Konturieren der Außenform
des Düsenkörpers und
der zugehörigen
Abdeckungsteile umfassen, so dass die günstigen Wirkungen von Zentrifugalkraft,
die auf sich in gekrümmten
elektrischen Feldern bewegende geladene Partikel ausgeübt wird,
im Zusammenspiel mit aerodynamischen Strömungsfeldern wirken, um eine
exzessive Flüssigkeitsansammlung,
eine Tröpfchenentladung
durch Ablagerung und eine induzierte Korona sowie Flüssigkeitsschwallprobleme,
die bei herkömmlichen
Aufladedüsen
beobachtet werden, auszuschließen.
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9 zeigt eine Aufriss-Schnittansicht
durch die Achse der elektrischen Leitung 6, die am stromabwärtigen Ende
des Düsenkörpers 1 in
einem Kontaktzapfen 23 endet. Die elektrische Leitung 6 durch den
Körper 1 kann
ein Stromversorgungsdraht oder die Stromversorgung selbst enthalten
oder aus leitendem oder halbleitendem Material zur Verbindung mit
der Stromversorgung gebildet sein. Falls eine Elektrodenenergiequelle 43 in
die Düse
einzugliedern oder an dieser anzubringen ist, sollte die bevorzugte
Ausführungsform
die Niederspannungs-Eingangsverbindungen 64 an dem Niederspannungs-Körperabschnitt 1 der
Düse aufweisen.
In diesem Fall kann die Energieversorgung 43 an oder in dem
Körper 1 oder
der Abdeckung 2 angeordnet sein. Falls die Energieversorgung 43 am
Abdeckungsabschnitt 2 angebracht ist, sollten die Niederspannungseingangsleitungsdrähte sich
in dem Niederspannungs-Düsenkörper 1 befinden.
Falls erwünscht
ist, dass NiederspannungeingangsLeitungsdrähte an der Außenseite
eines Hochspannungsabschnitts der Düse vorhanden sind, so muss
eine geeignete Hochspannungsisolierung der Drähte verwendet werden, und eine
Schutzhaube oder eine andere Struktur sollte eingesetzt werden,
um einen Abschnitt der Drähte
zu schützen,
um eine elektrische Spurbildung entlang Draht-Isolierflächen zu
den Verbindern oder zu geerdeten Sprayer-Teilen zu minimieren. In
der in 9 gezeigten Ausführungsform, bei der
der Hochspannungsleiter eine Leitung 6 im Düsenkörper 1 ist,
hat die Leitung 6 ein Klemmenende 23, welches
mit einer leitenden Oberfläche 19 in Kontakt
steht, die elektrisch mit der Elektrode im Abdeckungsabschnitt 2 verbunden
ist. Die leitende Oberfläche 19 kann
ein Metall oder ein leitender Kunststoffring sein, der in Abdeckungsausnehmung eingesetzt
ist, oder sie kann ein leitender Kunststoff sein, der eingegossen
oder eingespritzt ist. Es ist vorzuziehen, dass die Oberfläche kontinuierlich
ist und das Innere des Abdeckungsabschnitts umgibt, um an der Oberflächenschicht
der internen Oberflächen 59 der
Abdeckung stromauf der Elektrode 18 bis zur leitenden Oberfläche 19 ein
gleichmäßiges Potential
zu erzeugen. Diese äquipotentiale
Oberfläche 59 verhindert
die Bildung eines Stromwegs von der Elektrode 18 nach hinten
zu irgendeiner der kritischen Oberflächen der Düsen-Zerstäubungszone, und verhindert
auch einen Schaden im Bereich der Doppelfluidspitze 12.
Im Fall eines direkten Kurzschlusses zwischen der Flüssigkeitsmündungsspitze 12 und
der Elektrode 18 wird der Strom direkt zu der Flüssigkeitsströmung selbst
geleitet statt entlang Wegen auf den dielektrischen Oberflächen, und
der resistive Weg der Flüssigkeitsströmung sowie
das resistive Element am Elektrodeneingang begrenzen einen starken
Funkenschlag an der Spitze.
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Ein
elektrischer Durchgangsweg 20 ist in der Abdeckung 2 zwischen
der leitenden Oberfläche 19 und
der Elektrode 18 ausgebildet. Ein Draht oder ein anderes
hochleitendes Material oder ein befestigter Widerstand 41 können in
den Durchgangsweg 20 eingesetzt werden, oder ein elektrischer
Kontakt kann durch ein leitendes oder halbleitendes Material erfolgen,
das eingespritzt oder eingegossen werden kann, wie z. B. Kohlenstoff
enthaltende Kunststoffe. Wenn erwünscht ist, ein resisitives
Element für
den Kontakt mit der Elektrode zu verwenden, kann ein resistives
Element in den Durchgangsweg 20 oder in dem elektrischen
Kanal im Körper 6 installiert
werden. Letzteres ist aus Sicherheitsgründen vorzuziehen, und um gleiche
Potentiale an Innenflächen
der Abdeckungskomponenten zu gewährleisten,
um dort Oberflächenströme zu verhindern.
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Wenn
eine einzige Stromversorgung mit einer einzigen Düse eingesetzt
wird, kann eine unregelmäßige Zufuhr
mit niedriger Energie verwendet werden, falls die Ausgangs-Ladeeigenschaften
erwünscht
sind, oder es kann ein begrenzender Widerstand an einer Stromversorgungsschaltung
plaziert werden. Wenn mehrere Düsen
von einer einzigen Stromversorgung betrieben werden müssen, ist
es wünschenswert,
ein resistives Element für
jede Düse zu
verwenden, gleichgültig,
ob diese Widerstände
in der Stromversorgung oder der Düse enthalten sind. Dies verhindert,
dass eine kurzgeschlossene Düse
in dem Satz die Ladespannung bei anderen, über die gleiche Energiequelle
arbeitenden Düsen
reduziert.
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Die
in dieser Erfindung beschriebenen Verfahren zur Herstellung und
Aufrechterhaltung eines geringen Oberflächenlecks und eines hohen Widerstands
zwischen dem Düsen-Stromversorgungsausgang
und Erde ermöglichen
die Verwendung eines geeigneten Strombegrenzungswiderstands, ohne nennenswerte
Spannung an die Elektrode zu opfern. Ein in dem Körper oder
irgendwo vor der Elektrode 18 plazierter Widerstand hat
den Vorteil, den Strom im Fall eines Kontakts mit der Elektrode 18 oder
den kontaminierten Düsenoberflächen auf
einen nicht gefährlichen
Pegel zu begrenzen. Wegen einer Reihenverbindung mit dem Widerstand
kontaminierter Oberflächen
sind durch richtige Anwendung jedoch diejenigen, die herkömmliche
Düsen entworfen
haben, umgangen worden. Sicherheit ist eine Hauptmotivation, um
Anforderungen an die Energiezufuhrfür Induktionsdüsen zu reduzieren.
Oft können
9 mA bei 800 V von kontaminierten Außenflächen einiger herkömmlicher,
kommerzieller Düsen
dieses allgemeinen Induktionsaufladetyps abgeführt werden, die übergroß bemessene
Energiezufuhren aufweisen, um problematische hohe Leckströme auszugleichen. Die
größte hervorgerufene
Gefahr rührt
allgemein nicht vom elektrischen Schlag selbst her, sondern von
der Aktion der Person, die sich schnell von der Quelle zurückzieht
und hinfällt
oder gegen irgendetwas schlägt.
Frühere
Versuche, begrenzende Widerstände
oder ungeregelte Energiezufuhr niedriger Energie zu verwenden, sind
zwar hinsichtlich der Sicherheit erfolgreich, reduzieren aber die
Elektrodenspannung und die Aufladung.
-
Der
in 10 gezeigte Graph
veranschaulicht die Ergebnisse eines Tests, bei dem die elektrischen
Widerstandswerte von den Induktionselektroden zur Erde einer herkömmlichen
Düse sowie
einer Düse
gemäß der vorliegenden
Erfindung während
eines Zeitraums überwacht
wurden, in dem gewöhnliche
landwirtschaftliche Chemikalien enthaltendes Wasser gespült wurde.
Die Widerstandswerte des Sprühgemischs
betrugen annähernd
28 Ω/cm
für jede
der Lösungen
(im Vergleich mit einem typischen Wert von 5000 bis 10.000 Ω/cm für Leitungswasser). Das
Blattdüngungsgemisch,
das auch ein Kupferfungizid enthält,
bildet jedoch charakteristischerweise eine dicke Schicht an den
Düsen und
konnte bei herkömmlichen
Düsen nicht
erfolgreich getestet werden. Während
dieses Tests wurde ein Gebläse
aufgestellt, um einen Teil des Sprays in die Vorderseite der Düsen zurückzublasen,
um die oft auftretende Situation zu simulieren, wenn Aufladedüsen zum
Sprühen
in entgegengesetzten Richtungen positioniert sind, wie beispielsweise
beim Spritzen von Weingärten.
Zu Beginn des Tests der herkömmlichen
Düse wurden
die Düsenoberflächen gereinigt,
und der Elektroden-Erde-Widerstand betrug 11 MΩ, was nahe dem 15 MΩ-Wert des
Energieversorgungsausgangs-Nebenschlusswiderstands lag. Innerhalb
einer Stunde wurde der Elektrodenwiderstand zur Erde auf weniger als
1 kΩ reduziert
und variierte erheblich bei dem beobachteten Niveau einer auf der
Düse vorhandenen resistiven
Schicht. In diesem Fall wurde bei der vorbekannten Düse kein
Energieversorgungs-Begrenzungswiderstand verwendet, und er konnte
nicht ohne erhebliche Reduzierung der Elektrodenspannung eingesetzt
werden. Die obere Kurve von 10 zeigt
die Ergebnisse des Test unter Verwendung der Düse gemäß der vorliegenden Erfindung,
wobei ein viel stärkeres
Gemisch des stark leitenden Blattdüngers mit einer erheblichen
Menge an hinzugefügten Kupferfungizid
gesprüht
wurde. In diesem Fall wurde der anfängliche hohe Systemwiderstand
zur Erde über
den gesamten Testzeitraum beibehalten, und ein 1,2-MΩReihenwiderstand
wurde erfolgreich eingesetzt. Es konnte kein elektrischer Schlag
gefühlt werden,
wenn die Abdeckung der Aufladedüse
berührt
wurde, selbst wenn diese von dem Spray stark bedeckt war.
-
Auch
während
dieses Tests wurde der Spray-Aufladepegel für jede Düse überwacht, und diese Ergebnisse
sind in 11 dargestellt.
Die Sprayaufladung wurde durch Messen des Zerstäubungswolkenstroms bestimmt,
der in Aufladung pro Sprayvolumeneinheit auf der Basis der Flüssigkeitsströmungsrate
umgewandelt wurde. Beispielsweise hatte jede Düse eine Flüssigkeitsströmungsrate
von 120 ml/min, so dass sich ein Zerstäubungswolken-Strompegel von
10 mA zu einem Aufladepegel von 5 mC/l ändert. Es wurde vorher festgelegt,
dass ein erwünschter
Pegel der Aufladung für
einen zweifachen Ablagerungsvorteil gegenüber ungeladenem Spray im Bereich
von 3 mC/l oder mehr liegt. Die vorbekannte Düse wurde mit Wasserspray mit
einem elektrischen Widerstandswert von 6500 Ω/cm auf einen Pegel von 5,5
mC/l geladen. Mit den 10 Prozent zu der Spray-Flüssigkeit
hinzugefügten
Chemikalien wurde aber die Aufladung anfänglich auf nur 3,8 mC/l reduziert
und verringerte sich schnell weiter auf weniger als 2 mC/l bei Verunreinigung
der Düsenoberflächen. Bei
der Düse
der vorliegenden Erfindung wurde Wasserspray mit einem Pegel von
7,5 mC/l geladen und wenn der 20%-ige Gehalt an der zwei Chemikalien
hinzugefügt
wurde, wurde der Aufladepegel auf 7 mC/l über die gesamte Zeitspanne
von fünf
bis sechs Stunden des Test beibehalten.
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12 zeigt einen separaten
Test, bei dem wie vorher der Düsenenergieversorgungsstrom
für die
beiden Düsen überwacht
wurde. In diesem Fall wurde jedoch ein Kupferfungizid sowie Blattdüngung den über die
herkömmliche
Düse versprühten Gemischen
zugefügt.
Die Art des Kupfers bewirkt eine stärkere Schicht an der Düse als der
Blattdünger
allein. Das endgültige
Ergebnis war, dass die Düse
irreversibel beschädigt
wurde: zuerst wurde der Zerstäubungskanal
verformt (die Zerstäubungs-
und interne Aufladefeldgeometrie wurden geändert), und binnen zweier Stunden
wurde die dielektrische Flüssig keitsmündungsspitze
stark korrodiert und die Düse
konnte den Spray nicht mehr über
0,8 mC/l aufladen. Vor dem Totalausfall der Spritze betrug für gewöhnlich der
Strombedarf für
die Düse
nach dem Stand der Technik das Vierzigfache des Strombedarfs zum
Betrieb der Düse
gemäß der vorliegenden Erfindung,
während
der Aufladepegel, der bei der vorliegenden Erfindung erreicht wurde,
das Dreifache der herkömmlichen
Düse betrug.
Somit liefert die vorliegende Erfindung eine Spraystrom-Ausgangsleistung
pro Einheit einer Düsenstrom-Eingangsleistung,
die das 120fache der herkömmlichen
Düse beträgt.
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Ein
weiterer Vorteil, der sich während
dieser Spritzversuche bestätigte,
bestand darin, dass mit der neuen Düse hoher Impedanz die Flüssigkeit
keine elektrischen Entladungsspitzen bildete und nicht an der Düsenfläche ionisierte,
auch wenn Flüssigkeit absichtlich
auf die Fläche
gegossen wurde. Bei der vorbekannten Vorrichtung kam es jedoch leicht
und fortgesetzt zu einer induzierten Ionisierung. Außerdem zeigte
die herkömmliche
Düse ein
sichtbares Koronaglühen
am Rand der Flüssigkeitsmündungsspitze,
was eine Ionisierung und elektrische Entladung der Flüssigkeit
anzeigte, wenn sie an der Spitze auftauchte. Dies kann zwar die
Aufladung durch Ionenanlagerung verbessern, führt jedoch schließlich zu
einem Ausfall der Flüssigkeitsspitze
infolge physischer Aushöhlung
und Verformung des Spitzenrandes.
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Die
vorangehende Offenbarung hat bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
aufgegriffen. Es können
aber auch andere Strukturen, Gestaltungen, Dimensionen, Komponenten,
Modifikationen, Auslassungen und/oder Hinzufügungen, die darauf abzielen,
Düsen oder
Teile von Düsen
herzustellen, welche ähnliche
Wirkungen ergeben wie Düsen
und Teile von Düsen
nach obiger Offenbarung, angewandt werden, ohne vom Schutzumfang
der Erfindung abzuweichen, der durch die Ansprüche definiert ist.