DE10013451B4

DE10013451B4 - Vorrichtung zur Erzeugung monodisperser Tropfen

Info

Publication number: DE10013451B4
Application number: DE2000113451
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Wiedemann; Vitus Dr. Dorfner; Günter Dr. Brann; Franz Prof. Dr. Dr. Durst
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 2000-03-17
Filing date: 2000-03-17
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2020-03-18
Also published as: DE10013451A1

Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung monodisperser Tropfen aus Flüssigkeiten, mit einem Schwingungserzeuger (7), der auf die in einem Zufuhrkanal (1) enthaltende Flüssigkeit einwirkt, mit einer den Zufuhrkanal (1) abschließenden, mindestens eine Düsenöffnung (6) aufweisenden Düsenwand (5), wobei der Schwingungserzeuger (7) einen auf die Flüssigkeit einwirkenden, längs beweglichen Schwingstempel (8) aufweist, der mit einem piezoelektrischen Schwingungsaktuator (11) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Schwingungsaktuator (11) mehrere parallele Biegebalken (13) aufweist, die jeweils an ihren beiden eingespannten Enden (12) und in ihrem mittleren Bereich (14) miteinander verbunden sind, wobei jeder Biegebalken (13) einen Trägerbalken (15) und ein darauf angebrachtes piezoelektrisches Element (16) aufweist, das unter elektrischem Spannungseinfluss eine Längenänderung ausführt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung monodisperser Tropfen aus Flüssigkeiten, mit einem Schwingungserzeuger, der auf die in einem Zufuhrkanal enthaltende Flüssigkeit einwirkt, mit einer den Zufuhrkanal abschließenden, mindestens eine Düsenöffnung aufweisenden Düsenwand, wobei der Schwingungserzeuger einen auf die Flüssigkeit einwirkenden, längs beweglichen Schwingstempel aufweist, der mit einem piezoelektrischen Schwingungsaktuator verbunden ist.

Derartige Vorrichtungen dienen dazu, monodisperse Tropfen und Sprays mit genau einstellbarem Tropfendurchmesser herzustellen. Die Monodispersität der Tropfen und Sprays ist durch die VDI-Richtlinie 3491 definiert. Monodisperse Sprays sind erforderlich, wenn sowohl das dynamische Verhalten der Spraytropfen als auch ihr Wärme- und Stoffaustauschverhalten genau bestimmbar sein sollen. Dies ist eine wichtige Voraussetzung für eine Optimierung von Geräten und Anlagen, in denen Tropfen und aus Tropfen bestehende Sprays zum Einsatz kommen, beispielsweise Sprühtrocknungsanlagen und Feuerungen.

Besondere Schwierigkeiten bestehen beim Einsatz solcher Vorrichtungen bei hochdissipativen Flüssigkeiten, beispielsweise Flüssigkeiten mit hoher Viskosität, insbesondere im Frequenzbereich von 5–300 kHz. Hierbei wird ein großer Teil der in die Flüssigkeit eingebrachten Schwingungsenergie dissipiert und steht daher nicht zur Tropfenerzeugung zur Verfügung.

Bei einer bekannten Vorrichtung der eingangs genannten Gattung ( DE 39 12 524 A1 ) wird als piezoelektrischer Schwingungsaktuator ein Quarzkristall-Druckaufnehmer verwendet, dessen durch elektrische Spannungseinwirkung erzeugte Längenänderung auf den in die Zufuhrkammer der Flüssigkeit ragenden Schwingstempel einwirkt. Damit ist nur ein verhältnismäßig geringer Energieeintrag in die Flüssigkeit möglich, so dass eine hochdissipative Flüssigkeit nicht in erforderlichem Maße zu einem Zerfall in monodisperse Tropfen angeregt werden kann. Insbesondere ist es zur Verringerung der Dissipationswirkung erforderlich, im Zufuhrkanal einen möglichst geringen Abstand zwischen dem Schwingstempel und der Düsenöffnung einzuhalten, da anderenfalls ein noch stärkerer Energieverlust in der Flüssigkeit eintritt. Der Einsatz dieser bekannten Vorrichtung ist daher nicht für Anwendungsbereiche möglich, in denen aus konstruktiven Gründen oder aus anderen, verfahrenstechnischen Gründen ein größerer Abstand zwischen dem Schwingungserzeuger und der die Düsenöffnung aufweisenden Düsenwand erwünscht ist.

Aus DE 25 43 635 B2 ist ein Flüssigkeitszerstäuber mit einem Ultraschallwandler und einem mechanischen Schwingungsverstärker bekannt, wobei die Flüssigkeit von einem zu Resonanzschwingungen angeregten, hohlzylindrischen Ultraschallvibrationsteil aus radial versprüht wird. Die anregende Schwingungserzeugung muss dabei auf die Abmessungen des hohlzylindrischen Ultraschallvibrationsteils abgestimmt sein. Es wird ein weitgehend ungerichtetes polydispersives Spray erzeugt. Monodispersive Tröpfchen mit bestimmbarem dynamischen Verhalten, Wärme- und Stoffaustauschverhalten können nicht erzeugt werden.

In WO 97/01393 A1 ist eine Vorrichtung zur Auftragung von Flüssigkeiten auf Oberflächen mit einem scheibenförmigen piezoelektrischen Schwingungserzeuger beschrieben, wobei der Schwingungserzeuger entlang seinem Umfang fest eingespannt und in seiner Mitte mit einer durchgehenden Düse verbunden ist. Durch die in ihrer Längsrichtung in Schwingung versetzte Düse können auch dickflüssige oder selbstklebende Flüssigkeiten auf eine darunter angeordnete Oberfläche aufgetragen werden. Die Düsenbewegung verhindert ein Verstopfen der durchflossenen Düse während des Auftragens der Flüssigkeit.

Die Offenlegungsschrift DE 35 01 077 A1 zeigt ein Pulsventil mit einem Stapel ringförmiger piezoelektrischer Kristalle, die über isolierende Körper mit einem Schwingstempel verbunden sind. Der piezoelektrische Antrieb ist von dem Vorratsraum und dem Düsenkörper durch eine Membran getrennt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung so auszubilden, dass auch bei hochdissipativen Flüssigkeiten und/oder größerem Abstand zwischen dem Schwingungserzeuger und der Düsenöffnung die Erzeugung monodisperser Tropfen ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der piezoelektrische Schwingungsaktuator mehrere parallele Biegebalken aufweist, die jeweils an ihren beiden eingespannten Enden und in ihrem mittleren Bereich miteinander verbunden sind, wobei jeder Biegebalken einen Trägerbalken und ein darauf angebrachtes piezoelektrisches Element aufweist, das unter elektrischem Spannungseinfluss eine Längenänderung ausführt.

Der piezoelektrische Schwingungsaktuator ist als sogenannter Crossbow-Aktuator ausgeführt, bei dem die mittige Auslenkung eines beidseitig eingespannten Biegebalkens zur Schwingungserzeugung genutzt wird. Im Vergleich zu piezoelektrischen Schwingungsaktuatoren anderer Bauart weisen diese Crossbow-Aktuatoren in ihrem mittleren Bereich schon bei verhältnismäßig geringer elektrischer Spannung sehr hohe Auslenkungen auf, so dass es möglich wird, verhältnismäßig hohe Schwingungsenergie in die Flüssigkeit im Zufuhrkanal einzuleiten. Diese Bauart von piezoelektrischen Aktuatoren liefert im Vergleich zu anderen piezoelektrischen Aktuatoren bei gleicher elektrischer Spannungseinwirkung eine um mehrere Größenordnungen größere Auslenkung im mittleren Bereich.

Auch bei Flüssigkeiten, in denen eine starke Dissipation der eingeleiteten Energie auftritt und/oder bei verhältnismäßig großen den Energieverlust innerhalb der Flüssigkeit begünstigenden Abständen zwischen dem Schwingungserzeuger und der Düsenöffnung steht hierbei an der Düsenöffnung noch ausreichende Schwingungsenergie zur Verfügung, um einen Zerfall des austretenden Flüssigkeitsstrahls in monodisperse Tropfen zu erreichen.

Durch die parallele Anordnung mehrerer miteinander verbundener Biegebalken wird eine weitere Steigerung der verfügbaren Schwingungsenergie erreicht.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt:
1 in einem Längsschnitt eine Vorrichtung zur Erzeugung monodisperser Tropfen,
2 in einer vergrößerten Teilansicht den piezoelektrischen Schwingungsaktuator der Vorrichtung nach 1 und
3 in einem Teilschnitt ähnlich der 1 eine abgewandelte Ausführungsform der Vorrichtung.
Die in 1 gezeigte Vorrichtung dient zur Erzeugung monodisperser Tropfen aus einer Flüssigkeit, die einem Zufuhrkanal 1 in einem Gehäuse 2 durch eine Leitung 3 zugeführt wird. Der Zufuhrkanal 1 setzt sich in einem in das Gehäuse 2 eingeschraubten Düsenrohr 4 fort und ist an seinem Ende durch eine Düsenwand 5 abgeschlossen, in der eine Düsenöffnung 6 ausgebildet ist. Die zugeführte Flüssigkeit tritt aus der Düsenöffnung 6 in einem laminaren Strahl aus. Durch Schwingungsenergie, die auf die Flüssigkeit im Zufuhrkanal 1 einwirkt, wird der aus der Düsenöffnung 6 austretende Flüssigkeitsstrahl in monodisperse Tropfen zerlegt. Die Vorrichtung ist insbesondere für den Einsatz im Frequenzbereich von 5–300 kHz geeignet.
Zur Schwingungserzeugung ist an das Gehäuse 2 ein Schwingungserzeuger 7 angeschlossen. Er weist einen Schwingstempel 8 auf, der durch eine elastische Dichtung 9 und eine Buchse 10 in den Zufuhrkanal 1 ragt. Das andere Ende des Schwingstempels 8 ist mit einem piezoelektrischen Schwingungsaktuator 11 verbunden. Der Schwingungsaktuator 11 weist mehrere parallel angeordnete Biegebalken 13 auf, die jeweils an beiden Enden 12 gehäusefest eingespannt sind und deren mittlerer Bereich 14 mit dem Schwingstempel 8 verbunden ist.
Wie in 2 in Einzelheiten dargestellt, besteht der piezoelektrische Schwingungsaktuator 11 beim dargestellten Ausführungsbeispiel aus zwei parallelen Biegebalken 13, die jeweils an ihren beiden eingespannten Enden 12 und in ihrem mittleren Bereich 14 miteinander verbunden sind. Jeder Biegebalken 13 des piezoelektrischen Aktuators 11 besteht aus einem flachen, länglichen Trägerbalken 15 und einem darauf angebrachten, piezoelektrischen Element 16, das beispielsweise mehrlagig aufgebaut ist und unter elektrischem Spannungseinfluss eine Längenänderung ausführt. Elektrische Anschlüsse 17 liegen im mittleren Bereich 14 der piezoelektrischen Elemente 16 an.
Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ragt der Schwingstempel 8 mit seinem dem Schwingungsaktuator 11 abgekehrten Ende 8a in den Zufuhrkanal 1, so dass eine unmittelbare Einleitung der erzeugten Schwingungsenergie in die Flüssigkeit erfolgt.
Abweichend hiervon ist beim Ausführungsbeispiel nach 3 vorgesehen, dass der Schwingstempel 8 mit seinem dem Schwingungsaktuator 11 abgekehrten Ende 8a mit einer eine Wand des Zufuhrkanals 1 bildenden Membran 18 verbunden ist, durch deren Schwingungsbewegung die Schwingungsenergie in die Flüssigkeit eingeleitet wird.

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung monodisperser Tropfen aus Flüssigkeiten, mit einem Schwingungserzeuger (7), der auf die in einem Zufuhrkanal (1) enthaltende Flüssigkeit einwirkt, mit einer den Zufuhrkanal (1) abschließenden, mindestens eine Düsenöffnung (6) aufweisenden Düsenwand (5), wobei der Schwingungserzeuger (7) einen auf die Flüssigkeit einwirkenden, längs beweglichen Schwingstempel (8) aufweist, der mit einem piezoelektrischen Schwingungsaktuator (11) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Schwingungsaktuator (11) mehrere parallele Biegebalken (13) aufweist, die jeweils an ihren beiden eingespannten Enden (12) und in ihrem mittleren Bereich (14) miteinander verbunden sind, wobei jeder Biegebalken (13) einen Trägerbalken (15) und ein darauf angebrachtes piezoelektrisches Element (16) aufweist, das unter elektrischem Spannungseinfluss eine Längenänderung ausführt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Bereich (14) jedes Biegebalkens (13) mit dem Schwingstempel (8) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingstempel (8) mit seinem dem Schwingungsaktuator (11) abgekehrten Ende (8a) in den Zufuhrkanal (1) ragt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingstempel (8) mit seinem dem Schwingungsaktuator (11) abgekehrten Ende (8a) mit einer eine Wand des Zufuhrkanals (1) bildenden Membran (18) verbunden ist.