NO148826B - Ultrasonisk atomisatoranordning. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en ultrasonisk atomisatoranordning omfattende en symmetrisk dobbeltblind første seksjon som utgjøres av et bakre blindhorn i form av en sylinder som har en rundtgående flens ved den ene ende, et drivelement som innbe-fatter et par piezoelektriske skiver og en elektrode mellom skivene, et fremre horn i form av en sylinder som har en flens ved den ene ende, idet det fremre horn er av samme størrelse som det bakre blindhorn og har en første passasje som strekker seg aksialt derigjennom, og i det minste ett gjenget element som klemmer drivelementet mellom flensene på nevnte horn; og en andre seksjon som utgjøres av et første sylindrisk segment av en bestemt lengde og med diameter lik diameteren av det fremre horn og utformet som en integrerende del av dette, og et andre sylindrisk segment av en bestemt lengde og med diameter betydelig mindre enn diameteren av det første sylindriske segment og ragende ut fra dette, idet det andre sylindriske element har en stiv flensforsynt tupp av en bestemt lengde og en atomiseringsflate på nevnte tupp, idet overgangen mellom første og andre • sylindriske segmenter utgjør et trinn for forsterkning av longitudinalvibrasjoner som anordningen utsettes for av drivelementet, og en andre passasje som strekker seg aksialt gjennom den andre seksjon i innretting med og i forbindelse med nevnte første passasje for tilførsel av væske til atomiseringsflaten.

Slike atomisatoranordninger benyttes bl.a. for oppnåelse av effektiv forbrenning av brennstoffer og er kjent fra f.eks. US-PS

nr. 3 932 109. Slike atomisatoranordninger er beheftet med flere mangler og ulemper. Bl.a. kan de piezoelektriske skiver skades av kontakt med den væske som atomiseres, og for tidlig atomisering av væsken, med derav følgende ujevn spray, kan skje på grunn av for tidlig atomisering av væsken i den andre passasje som strekker seg aksialt gjennom den andre seksjon frem til atomiseringsflaten.

En annen betydelig mangel ved disse atomisatoranordninger er at deres virkningsgrad eller mekaniske ytelsesfaktor, Q, ikke er optimal. Dette fører til øket krafttilførsel for å oppnå tilstrekkelig atomisering, hvilket øker anordningens driftstemperatur og reduserer dens levetid. Disse forhold har grunnlag i atomi-satoranordningens konstruksjonsmetode. Den tidligere benyttede fremgangsmåte har vært å beregne alle dimensjoner av den totale atomisator basert på en antatt operasjonsfrekvens. Slike tidligere kjente anstrengelser har vært rettet mot å minimalisere avvikene for den virkelige atomisator for å minimalisere forskjellen mellom dens virkelige resonansfrekvens og den antatte konstruksjonsfrekvens. Disse avvik kan imidlertid ikke elimineres fullstendig, med det resultat at operasjonsfrekvensen for atomisatoren nødvendigvis adskiller seg betydelig fra konstruk-sjonsfrekvensen. Et resultat av dette vil være at forsterknings-trinnet ikke er plasert nøyaktig ved en vibrasjonsknute, og atomiseringsflaten vil ikke befinne seg ved- en antiknute. Selv små forskyvninger av disse flater fra hhv. knute- og antiknute-planene vil redusere vibrasjonseffekten for et gitt elektrisk signal i betydelig grad.

Oppfinnelsen tar sikte på å tilveiebringe en ultrasonisk atomisatoranordning som ikke er beheftet med ovennevnte mangler og ulemper. Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved en atomisatoranordning av den innledningsvis nevnte type, hvor det karakteristiske er at i det minste én tettende pakning omgir de piezoelektriske skiver og er klemt mellom flensene på nevnte horn;

at en utkoblingshylse er anordnet i den andre passasje og strekker seg frem til atomiseringsflaten, hvilken utkoblingshylse er laget av et materiale som har forskjellige egenskaper når det gjelder overføring av akustisk energi enn materialet i atomisatoren, at lengden av det første sylindriske segment er større enn summen av lengden av det andre sylindriske segment og lengden av tuppen, at den første seksjon av atomisatoren har en eksperimentelt bestemt karakteristisk resonansefrekvens, og at den andre seksjon har en teoretisk beregnet egenfrekvens som stort sett sammenfaller med den eksperimentelt bestemte frekvens for den første seksjon.

Den tettende pakning vil beskytte de piezoelektriske skiver mot skade fra den væske som atomiseres. Utkoblingshylsen vil for-hindre for tidlig atomisering av væsken i den aksiale passasje før den når atomiseringsflaten, slik at en jevn spray lettere kan sikres. I og med at den første seksjon av atomisatoren har en eksperimentelt bestemt karakteristisk resonans frekvens og den andre seksjon har en teoretisk beregnet egenfrekvens som stort sett sammenfaller med den eksperimentelt bestemte frekvens for den første seksjon, kan man være ganske sikker på at forsterknings-trinnet vil befinne seg ved en knute og atomiseringsflaten ved en antiknute. Herved oppnås optimalisert virkningsgrad og levetid.

Oppfinnelsen vedrører også en fremgangsmåte for fremstilling av en ultrasonisk atomisatoranordning som nevnte ovenfor, hvilken fremgangsmåte er karakterisert ved de trinn å: fremstille en første prøvetransduktorseksjon i form av en symmetrisk dobbeltblind ultrasonisk transduktor omfattende et drivelement, et fremre sylindrisk hornelement, et bakre hornelement identisk med det fremre hornelement, og midler for å klemme hornelementene til drivelementet, hvilken prøvetransduktor er konstruert slik at den har en teoretisk egenfrekvens som er lik en forutbestemt ultrasonisk frekvens; måle den virkelige resonansfrekvens for den første prøvetransduktorseksjon, som adskiller seg fra den forutbestemte designfrekvens; designe en andre transduktorseksjon som har et forsterkningstrinn, idet lengdedimensjonene av den andre seksjon beregnes slik at den andre seksjon har en teoretisk egenfrekvens som er lik den målte egenfrekvens av den første transduktorseksjon; og fremstille en endelig ultrasonisk atomisator omfattende et bakre element identisk med det bakre hornelement av den første prøvetransduktorseksjon og et fremre element som har et første parti identisk med det fremre hornelement av den første prøvetransduktorseksjon og et andre parti i henhold til nevnte design av nevnte andre transduktorseksjon.

Ytterligere fordelaktige trekk ved oppfinnelsen vil fremgå av de uselvstendige krav og av den følgende beskrivelse av det utførelseseksempel som er vist på vedføyede tegning, hvor: Fig. 1 viser et snitt av en første seksjon av en atomisatoranordning ifølge oppfinnelsen;

fig. 2 viser et snitt av en andre seksjon av atomisatoranord-ningen på fig. 1;

fig. 3 viser et snitt av en fullstendig atomisatoranordning ifølge oppfinnelsen.

Et formål med foreliggende oppfinnelse vedrører optimalisering

av formen av en atomiseringsanordning for bl.a. å gi maksimal Q.

Slik det fremgår av tegningen har man ifølge oppfinnelsen, for bl.a. å oppnå maksimal Q, konstruert en første transduktorseksjon som omfatter et drivelement og to identiske hornseksjoner (fig. 1), slik at den resulterende konstruksjon danner en symmetrisk geometri i forhold til lengdeaksen. Den første seksjon betegnes som et dobbelt ultrasonisk horn. I neste om-gang måles den resonante frekvens av den første seksjon, og en andre seksjon tilføyes (fig. 2), som omfatter et forsterkertrinn og en atomiseringsflate og hvis teoretiske resonansfrekvens faller sammen med den empiriske målte frekvens av den første seksjon, slik at det dannes en fullstendig atomisatoranordning (fig. 3),-konstruert for maksimal Q og for oppnåelse av effektiv brennstofforbrenning.

Fig. 1 viser den første seksjon 11 av transduktoranordningen ifølge oppfinnelsen omfattende fremre 12A og bakre 13 ultrasoniske hornseksjoner og et drivelement 14 som omfatter et par piezoelektriske skiver 15, 16 og en elektrode (ikke vist) plasert derimellom, drevet av høyfrekvent elektrisk energi tilført gjennom et tilkoblingspunkt 18.

Drivelementet 14 er plasert mellom flenspartiene 19, 20 av hornseksjonene 12A, 13 og er fastklemt derimellom ved hjelp av en klemmeinnretning som omfatter en monteringsring 21 (for festing av anordningen til et annet apparat) og et antall bolter 22 som er ført gjennom hull i tilkoblingspunktet 18, flenspartiene 19 og 20 inn i gjengede åpninger i monteringsringen 21. Boltene 22 er elektrisk isolert fra tilkoblingspunktet 18 ved hjelp av isolatorer 23.

Den første seksjon omfatter videre et brennstoffrør 24 for inn-føring av brennstoff i en kanal i transduktoranordningen og et par tettende pakninger 26, 27 som er sammentrykket mellom hornflensseksjonene 19, 20.

I et typisk utførelseseksempel er hornseksjonene 12A, 13 og flensseksjonene 19, 20 fortrinnsvis fremstilt av materiale med god akustisk ledningsevne, så som aluminium, titan eller magnesium, eller legeringer av slike, så som Ti-6A1-4V titan-aluminiumlegering, 6061-T6 aluminiumlegering, 7025 aluminiumlegering,

AZ 61 magnesiumlegering o.l. Skivene 15, 16 er av blysirkonat-titanat som fremstilt av Vernitron Corporation eller av litium-miobat som fremstilt av Valtec Corporation. Elektroden er av kobber; tilkoblingspunktet 18, monteringsringen 21 og boltene 22 er av stål; isolatorene 23 er av Nylon, Teflon eller en plast med god elektrisk isolasjonsevne; og pakningene 26, 27 er av silicongummi.

Den dobbeltblinde første seksjon 11 har halvbølgelengdegeometri, men inneholder allikevel alle de øvrige uheldige trekk, dvs. fastklemning ved et ikke-knuteplan, kobberelektrode, skruklem-ming og monteringsbrakett, som vil bevirke at den reelle resonansfrekvens av anordningen avviker fra den teoretiske.

Den karakteristiske frekvens for maksimal Q for denne første seksjon måles.. En typisk frekvens for effektiv atomisering kan f.eks. være 85 kHz. Hermed er første trinn i konstruksjonen av transduktoranordningen fullført.

Slik det fremgår av fig. 2, suppleres den første seksjon 11 med en annen halvbølgeseksjon 29. Seksjonen 29 omfatter et segment 12B med stor diameter, et segment 30 med liten diameter slik at det oppnås et forsterkningstrinn 31, en flensforsynt tupp 32

med en atomiseringsflate 33, en sentral passasje 34 for til-førsel av brennstoff til atomiseringsflaten 33 og en innvendig montert utkoblingshylse 35. Utkoblingshylsen er av et materiale så som Teflon, som gir akustisk isolasjon fra overflaten av passasjen 34.

Det vil ses at denne seksjon omfatter få uheldige trekk siden

den likeledes er en rent teoretisk modell. Dens resonansfrekvens velges slik at den passer til den virkelige resonansfrekvens av den første seksjon 11.

For fullførelse av konstruksjonen dannes de to seksjoner 11 og 29 i ett for å gi en atomiseringsanordning (fig. 3) som er optimalisert for maksimal Q og for bruk ved oppnåelse av effektiv forbrenning av brennstoffer.

Tidligere kjente transduktoranordninger benyttet for ultrasonisk atomisering av brennstoff har vanligvis benyttet en flensforsynt tupp 32 med atomiseringsflate 33. Den flensforsynte tupp øker atomiseringskapasiteten på grunn av øket areal av atomiseringsflaten 33.

Tilføyelse av en slik flens har skjedd på bekostning av atomiserings-virkningsgraden.

På fig. 2 angir A lengden av hornets frontseksjon 12B, B lengden av segmentet.30 med liten diameter og C tykkelsen av den flensforsynte tippseksjon 32.

I tidligere kjente anordninger som ikke benytter en flens er

- A= 1 siden de begge har en lengde som tilsvarer en kvart bølge-lengde .

I tidligere kjente anordninger som benytter en flens er r—- = 1.

Man har funnet at å holde forholdet lik 1 selv ved tilføyelse av flensen er lite effektivt og reduserer kraftoverføring, mens ved å holde forholdet z— — > 1 kan man opprettholde samme virknings-gradsnivåer som før tilføyelse av flensen. Eksempelvis, dersom D^ = diameteren av flensseksjon 32

= diameteren av segmentet 30 med liten diameter <D>3

— = 1 53

D2

^ (uten flens) - | = 1

(med flens) = 1.12

vil virkningsgradsnivåene oppnådd med flens tilsvare virknings-nivåene oppnådd uten flens.

Foregående eksempel gjelder anordninger" av aluminium, titan, magnesium og tidligurc nevnte legeringer, og forutsetter at lyd-hastigheten er omtrentlig den samme for begge materialer , For andre materialer med forskjellig lydhastighet vil forholdet B+C variere, men vil alltid være større enn 1.

Påliteligheten av anordningen i det lange løp økes ved

tetting av skivene 15 fordi brennstofforurensing ikke lenger blir mulig. Rommet mellom klemflensseksjonene 19, 20 er fylt med et silikongummimateriale som f.eks. pakninger 26, 27. Tidligere forårsaket innsiving av brennstoffet på skivenes 15, 16 flater forringelse av disse og resulterte i dårlig atomiseringsytelse på lang sikt. Fenomenet gir tap av mekanisk kobling mellom hornets elementer. Pakningene 26 , 27 løser problemet, og atomiseringsytelse affiseres ikke av den ytterligere masse, noe som er blitt bekreftet ved målinger før og etter av impedans, funksjonsfrekvens og flens forskyvning. Den noe høyere indre oppvarmning forårsaket av tetningen av skivene 15 reduserer ikke atomisatorens levetid fordi de indre temperaturer likevel vil være under den maksimale f unks jonstemperatur for piezoelektriske krystaller. Pakningene 26, 27 er av kompressibelt materiale og har en indre periferi som passer til, men er opprinnelig litt større enn den ytre omkrets av skivene 15, 16. Ved klemming kommer den indre periferi av pakningene 26, 27 i lett kontakt med den ytre omkrets av skivene 15, 16.

Et annet aspekt av foreliggende oppfinnelse er eliminering av

for tidlig atomisering av brennstoff i brennstoffpassasjen som fører til atomiseringsflaten. Som nenvt tidligere kan brennstoffet i tidligere kjente konstruksjoner begynne å atomisere inne i brennstoffpassasjen som fører til atomiseringsflaten. Denne for tidlige atomisering danner tomrom i brennstoffpassasjen i overgangen mellom brennstoff og veggflate, hvilke tomrom fører til dannelse av bobler i brennstoffpassasjen. Boblene vil etter hvert arbeide seg frem til atomiseringsflaten, men deres ankomst ved atomiseringsflaten resulterer i en temporær avbrytelse av brennstoffstrømningen til et parti av flaten, og resultatet av dette blir ujevn fordeling av brennstoff over flaten. Boblene forblir intakte i et kort tidsrom på atomiseringsflaten, og der-med vil flaten under boblen i dette tidsrom ikke fuktes med brennstoff. Nettoeffekten av denne ujevne og konstant varierende fordeling av brennstoff på flaten er en romlig ustabil brenn-

stoffdusj, en tilstand som fører til ustabil forbrenning.

Det foran nevnte problem elimineres ved tilveiebringelse av en utkoblingshylse 35 i brennstoffpassasjen 34, hvilken hylse strekker seg opp til omtrent 3/4 mm fra atomiseringsflaten 33. Hylsen vil vanligvis være laget av plast og presspasset inn i passasjen 34, slik at den strekker seg inn i segmentet 12B med større diameter. Forskjellen i akustiske overføringsegen-

skaper mellom materialet i hylsen 35 og hornseksjonen 29 er slik at vibrasjonsbevegelsen av seksjonen 29 ikke overføres til brennstoffet i brennstoffpassasjen 34 som omfatter hylsen 35.

Claims (5)

1. Ultrasonisk atomisatoranordning omfattende en symmetrisk dobbeltblind første seksjon (11) som utgjøres av et bakre blindhorn (13) i form av en sylinder som har en rundtgående flens (20) ved den ene ende, et drivelement (14) som innebefatter et par piezoelektriske skiver (15, 16) og en elektrode plasert mellom skivene, et fremre horn (12A) i form av en sylinder som har en flens (19) ved den ene ende, idet det fremre horn er av samme størrelse som det bakre blindhorn (13) og har en første passasje som strekker seg aksialt derigjennom, og i det minste ett gjenget element (22) som klemmer drivelementet (14) mellom flensene (19, 20) på nevnte horn; og en andre seksjon som ut-gjøres av et første sylindrisk segment (12B) av.en bestemt lengde (A) og diameter lik diameteren av det fremre horn (12A)

og utformet som en integrerende del av dette, et andre sylindrisk segment (30) av en bestemt lengde (B) og diameter betydelig mindre enn diameteren av det første sylindriske segment og ragende ut fra dette, idet det andre sylindriske segment har en stiv flensforsynt tupp (32) av en bestemt lengde (C) og en atomiseringsflate (33) på nevnte tupp, idet overgangen mellom første og andre sylindriske segmenter utgjør et trinn (31) for forsterkning av longitudinalvibrasjoner som anordningen utsettes for av drivelementet (14). og en andre passasje (34) som strekker seg aksialt gjennom den andre seksjon i innretting med og i forbindelse med nevnte første passasje for tilførsel av væske til atomiseringsflaten, karakterisert ved at i det minste én tettende pakning (26, 27) omgir de piezoelektriske skiver (15, 16) og er klemt mellom flensene (19, 20) på nevnte horn; at en utkoblingshylse (35) er anordnet i den andre passasje (34) og strekker.seg frem til atomiseringsflaten (33), hvilken utkoblingshylse er laget av et materiale som har forskjellige egenskaper når det gjelder overføring av akustisk energi enn materialet i atomisatoren, at lengden (A) av det første sylindriske segment (12)3) er større enn summen av lengden (B) av det andre sylindriske segment (30) og lengden (C) av tuppen (32), at den første seksjon (11) av atomisatoren har en eksperimentelt bestemt karakteristisk resonansfrekvens, og at den andre seksjon (29) har en teoretisk beregnet egenfrekvens som stort sett sammenfaller med den eksperimentelt bestemte frekvens for den første seksjon.

2. Ultrasonisk atomisatoranordning ifølge krav 1, karakterisert ved at den første seksjon (11) er en halvbølgelengdeseksjon.

3. Ultrasonisk atomisatoranordning ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte minst ene tettende pakning (26, 27) er en ringformet pakning av kompressibelt, elastomert materiale som omgir hver sin av de piezoelektriske skiver (15, 16), hvilken pakning har en indre periferi som i ubelastet tilstand sammenfaller med formen av, men er litt større enn periferien av den piezoelektriske skive, og at sammentrykningen som utøves av det gjengede klemelement (22) er tilstrekkelig til å gi god akustisk kobling mellom drivelementet (14) og det fremre og bakre horn (12A, 13) når den indre periferi av pakningen (26, 27) befinner seg i lett kontakt med den ytre periferi av den piezoelektriske skive (15, 16) .

4. Fremgangsmåte for fremstilling av en høy-effektiv ultrasonisk atomisator ifølge krav 1, karakterisert ved de trinn å: fremstille en første prøvetransduktorseksjon (11) i form av en symmetrisk dobbeltblind ultrasonisk transduktor omfattende et drivelement (14), et fremre flensforsynt sylindrisk hornelement (12A), et bakre hornelement (13) identisk med det fremre hornelement, og midler (22) for å klemme hornelementene til drivelementet, hvilken prøvetransduktor er konstruert slik at den har en teoretisk egenfrekvens som er lik en forutbestemt ultrasonisk frekvens; måle den virkelige resonansfrekvens for den første prøve-transduktorseks jon, som adskiller seg fra den forutbestemte designfrekvens; designe en andre transduktorseksjon (29) som har et forsterkningstrinn (31), idet lengdedimensjonene av den andre seksjon beregnes slik at den andre seksjon har en teoretisk egenfrekvens som er lik den målte egenfrekvens av den første transduktorseksjon (11); og fremstille en endelig ultrasonisk atomisator omfattende et bakre element identisk med det bakre hornelement (13) av den første prøvetransduktorseksjon og et fremre element som har et første parti identisk med det fremre hornelement (12A) av den første prøvetransduktorseksjon og et andre parti i henhold til nevnte design av nevnte andre transduktorseksjon (29).

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at den andre seksjon (29) av den endelige atomisator frem-stilles integrert med den fremre hornseksjon (12A).