DE2630555A1

DE2630555A1 - Vorrichtung und verfahren zum elektrostatischen spruehen

Info

Publication number: DE2630555A1
Application number: DE19762630555
Authority: DE
Inventors: S Edward Law
Original assignee: Research Corp
Current assignee: Research Corp
Priority date: 1975-07-09
Filing date: 1976-07-07
Publication date: 1977-01-20
Also published as: FR2317016A1; JPS5224246A; CA1051286A; US4004733A; DE2630555C2; JPS637824B2; FR2317016B1

Description

PATENTANWÄLTE

DIpL-lng. P. WIRTH · Dr. V. SCHMIED-KOWARZIK Dlpl.-Ing. G. DANNENBERG · Dr. P. WEINHOLD · Dr. D. GUDEL

281134 6 FRANKFURT/M

TELEFON (0611) ΟΓΠΛΙΝΛΓυΠΙ/Μ.

287014 Ga ESCHENHEIMER STR.39

5. Juli 1976 Case 14069

Research Corporation

Corporation of State of New York

405 Lexington Avenue, New York, N.Y. USA

Vorrichtung und Verfahren zum elektrostatischen Sprühen

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet elektrostatischer Sprühsysteme und betrifft insbesondere ein System, das eine neue elektrostatische Sprühdüse verwendet .

Elektrostatisches Überziehen umfaßt Verfäliren, bei denen elektrostatische Kräfte verwendet werden, um die Ablagerung eines Materials, das trocken oder naß sein kann, auf einer Oberfläche zu bewirken, um auf dieser eine Schicht oder einen Überzug herzustellen. Überzugverfahren werden in weitem Umfang verwendet, und es ist äußerst wünschenswert, die Überzugmaterialien mit geringst möglichem Verlust und äußerster Einfachheit aufzubringen. Die Verwendung elektrostatischer Kräfte in dem Überzugverfahren führt zu derart wünschenswerten Resultaten. Im allgemeinen gehört zum elektrostatischen Überziehen das Formen fein verteilter Partikel oder Tröpfchen aus dem Überzugmaterial, das Aufladen der Partikel oder Tröpfchen auf eine Polarität (z.B. negativ) und das Aufladen der zu überziehenden Oberfläche auf eine andere Polarität (z.B. positiv). Selbst bei Erdpotential hat das zu überziehende Objekt

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von dem "Erdreservoir" eine sehr beachtliche Ladung eines Vorzeichens, das umgekehrt zu dem der ankommenden geladenen Wolke von Überzugmaterial ist. Als Folge elektrostatischer Anziehung und der Nähe der Partikel oder Tröpfchen zu der zu überziehenden Oberfläche bewegen die elektrostatischen Kräfte die Partikel oder Tröpfchen auf diese Oberfläche zu, wo sie abgelagert werden, um eine Schicht oder einen Überzug zu bilden. Verschiedene vorbekannte Anwendungen des elektrostatischen Überziehens sind mehr oder weniger differenzierte Abwandlungen dieses einfachen Systems. Sie unterscheiden sich voneinander durch die Art, ".in der die Partikel geformt werden, die Mittel, die zum Aufladen verwendet werden, die besonderen Aspekte der Verfahren, mittels deren die Partikel über die Oberfläche verteilt werden, und vielleicht die Art und Weise, in der sie sich auf der Oberfläche ansammeln. Eine Übersicht über bekannte elektrostatische Verfahren findet sich in ^Electrostatics and Its Applications" von A.D. Moore, Verlag Wiley and Sons, 1973, insbesondere Seiten 250 bis 280.

Die Verwendung elektrostatischen Sprühens oder Überziehens ist im allgemeinen auf sorgfältig kontrollierte industrielle Umgebungen beschränkt, in erster Linie wegen der Gefahrer, die sich aus der Verwendung hoher Spannungen ergeben, die üblicherweise zur Anwendung kommen. Es gibt jedoch Anwendungsgebiete, wo es nicht möglich oder unpraktisch ist, die Umgebung sorgfältig zu überwachen, z.B. die Verwendung elektrostatischer Aufladung zum Versprühen landwirtschaftlicher Partikulate für die Schädlingsbekämpfung, wie etwa Schädlingsvernichtungsmittel in Form von Sprühtröpfchen oder von Staub, biologische Mittel zur Schädlingsbekämpfung und so weiter. Ein Beispiel für ein solches System ist in der US PS 3.339.840 diskutiert, und es gibt auch weitere, im Handel erhältliche, elektrostatische Zerstäuber für den Gebrauch in der Landwirtschaft. Solche Systeme verwenden typischerweise hohe Gleichstromspannungen im Bereich von 15 bis 90 kV und dazu freiliegende elektrostatische Lade-

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elektroden für hohe Spannung.

Ein Beispiel für eine freiliegende Elektrode in einer nicht kontrollierten Umgebung findet sich in der US PS 3.802.625.

Elektrostatische Aufladung wird daher in erster Linie in sorgfältig kontrollierten industriellen Umgebungen verwendet, aber nicht in ausreichendem Umfang anderwärts, etwa in der Landwirtschaft, wo jede Verbesserung der Wirksamkeit des Sprühmaterials äußerst signifikant wäre. Zum Beispiel wird geschätzt, daß gegenwärtig nur etwa 20 % des versprühten oder zerstäubten' Materials die Zielpflanzen erreicht und daß dieser Prozentsatz durch Verwendung elektrostatischer Ablagerung erheblich gesteigert werden könnte. Da die gegenwärtigen Kosten für die Schädlingsvernichtungsmittel gegen Insekten und Pflanzenkrankheiten für den Anbau von Nahrungsmitteln und Faserpflanzen in den USA über 1,5 Mrd. jährlich betragen, ist es klar, daß schon eine nur zweifache Verbesserung der gegenwärtig schlechten Wirksamkeit der Ablagerung eine jährliche Einsparung von weit über 0,5 Mrd. ergeben würde. Außerdem würde auch die wesentlich .geringere Menge an erforderlichem Schädlingsvernichtungsmaterial, die bei elektrostatischem Versprühen erforderlich wäre, die Gefahr für die Umwelt signifikant herabsetzen. Es besteht daher ein erheblicher Bedarf für ein elektrostatisches Sprühsystem, das nicht nur in sorgfältig kontrollierten industriellen Umgebungen verwendet werden kann, sondern auch in weniger kontrollierteiümgebungen, beispielsweise in der Landwirtschaft.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System für elektrostatisches Sprühen zu schaffen, das Sprühdüsen verwendet, die mit relativ niedriger Spannung arbeiten, nicht die Gefahr elektrischer Unfälle beinhalten, und einfach, zuverlässig, robust und nicht kostspielig sind.

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Die* Erfindung bezieht sich auf elektrostatische Sprühsysteme und betrifft insbesondere ein System dieser Art, das ein neues Verfahren und eine neuartige elektrostatische Sprühdüse verwendet und das mit relativ niedrigen Ladespännungen arbeitet, einen Strom fein verteilter Tröpfchen oder Partikel ergibt bei hoher Aufladung der Sprühwolke, und das dabei sicher, einfach, robust und zuverlässig ist.

Die bei der Erfindung verwendete elektrostatische Sprühdüse formt eine Flüssigkeitsströmung in eine Strömung fein verteilter Tröpfchen um und lädt diese Tröpfchen mittels einer Elektrode auf, welche in die elektrisch isolierte Düse eingebettet ist und bei relativ niedriger Spannung (zur Vermeidung elektrischer Unfälle) arbeitet, aber mit hoher Wirksamkeit hinsichtlich der Übertragung einer hohen Sprühwolken-Ladung an die Strömung flüssiger Tröpfchen. Außerdem ist die elektrische Kapazität der Elektrode sehr niedrig, wodurch die Sicherheit weiter erhöht wird. Die Flüssigkeitsströmung,die ,zu Tröpfchen umgeformt wird, kann ein beliebiges flüssiges Material sein, z.B. eine reine Flüssigkeit, eine Lösung oder eine Suspension eines benetzbaren Pulvers oder anderer benetzbarer Partikulate in atomisierter Form in entweder einer flüchtigen oder einer nicht-flüchtigen Trägerflüssigkeit. Die Flüssigkeit bleibt typisch auf Erdpotential und kann irgendwo im Bereich zwischen elektrisch hochleitfähigen Flüssigkeiten und solchen mit hohem Widerstand liegen. Die Flüssigkeit wird innerhalb der Düse in fein verteilte Tröpfchen umgeformt durch einen Wirkmechanismus, wie etwa pneumatisches Atomisieren, und die Tröpfchen werden im Augenblick ihres Entstehens durch elektrostatisch induktives Laden seitens einer Induktionselektrode aufgeladen, welche die Tröpfchen-bildende Zone umgibt. Die Elektrode, die eine ringförmige Elektrode sein kann, wird durch eine gasförmige Strömung (z.B. Luftströmung) nach Art eines Gebläsestrahls (slipstream =?Propellerwind ) trockengehalten, die sich zwischen der inneren Oberfläche der Elektrode und der Tröpfchen-bildenden Zone

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befindet. Die Elektrode liegt an relativ niedrigem Potential von einigen 100 oder 1000 Volt gegenüber dem übrigen Teil der Düse und der Flüssigkeit, welch letztere typisch auf Erdpotential sind, und ist in der Düse eingebettet (die aus elektrisch isolierendem Material hergestellt ist), so daß sie elektrisch ungefährlich und gegen mechanische Beschädigung von außen geschützt ist. Die (relativ niedrige) Hochspannung für die Elektrode liefert ein elektronischer Miniaturschaltkreis, der typischerweise von einer Niederspannungsquelle, etwa einer 12-Volt-Batterie, gespeist wird, und der an der Düse befestigt oder in diese eingebettet ist, um Hochspannungsleitungen zu vermeiden, die mechanischer Beschädigung ausgesetzt sein oder eine elektrische Gefahrenquelle bilden könnten. Die Elektrode kann sich gegenüber der Flüssigkeit und den übrigen Teilen der Düse auf negativem oder positivem Potential befinden.

Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung weist die. elektrostatische Sprühdüse eine pneumatische Zerstäuberdüse auf, in der die kinetische Energie einer Luftströmung hoher Geschwindigkeit einen Flüssigkeitsstrahl in Tröpfchen verteilt, wenn dieser Strahl aus einer relativ zu dem Luftstrom hoher Geschwindigkeit entsprechend plazierten Öffnung austritt. Das Zerteilen in Tröpfchen findet in einer Tröpfchen-bildenden Zone statt, die sich innerhalb eines hohlen Durchlasses in einem Gehäuse aus elektrisch isolierendem Material befindet. Die vorzugsweise ringförmige Elektrode ist innerhalb des Gehäuses angeordnet und umgibt die Tröpfchen-bildende Zone. Ein Befeuchten der Elektrode durch Tröpfchen wird durch die gebläseartige Luftströmung verhindert, die an der inneren Oberfläche der Elektrode eine hohe Soiierkraft aufrechterhält.

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Die von der Induktionselektrode ausgehenden elektrischen Feldlinien werden in der Nähe der Tröpfchen-bildenden Zone konzentriert und enden in dieser Zone, und der Spalt zwischen der Elektrode und der Flüssigkeitsströmung ist so klein, daß der Gradient des elektrischen Feldes unmittelbar außerhalb der Tröpfchen-bildenden Zone äußerst intensiv bzw. steil ist, selbst bei relativ niedrigen Potentialen der Elektrode gegenüber der Flüssigkeit, so daß eine hohe Aufladung der Sprühtröpfchen erhalten wird. Die Elektrode befindet sich mit Abstand einwärts vom vorderen Ende des Gehäuses, an dem die Tröpfchen-Strömung abgegeben wird, um elektrischen Gefahren vorzubeugen und die Elektrode vor mechanischer Beschädigung zu schützen. Die hohe Geschwindigkeit der Luftströmung hält eine hohe Scherkraft an der inneren Oberfläche der Elektrode aufrecht, um sie vollständig trocken zu erhalten, und hält zusätzlich einen hohen Oberflächen-Widerstand des isolierenden dielektrischen Materials längs der inneren Oberfläche des Durchlasses durch das Gehäuse aufrecht, in dem diese Luftströmung die Oberfläche des Durchlasses trocken und frei von Tröpfchen hält.

Mehr im einzelnen weist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrostatischen Sprühdüse eine Basis mit einer axial sich erstreckenden zentralen Leitung zur Aufnahme einer unter Druck stehenden Flüssigkeit an ihrem hinteren Ende und zur Abgabe einer vorwärts gerichteten Flüssigkeitsströmung an ihrem vorderen Ende auf. Die Basis enthält weiter eine gesonderte nach vorn gerichtete Leitung zur Aufnahme eines DruckluftStroms an ihrem hinteren Ende und zur Abgabe einer vorwärts gerichteten Luftströmung an ihrem vorderen Ende zwecks Atomisierung bzw. Zerstäubung der Flüssigkeitsströmung. Ein Gehäuse ist starr an der Basis befestigt und hat einen vorwärts sich erstreckenden Düsendurchlaß koaxial zur Flüssigkeitsleitung in der Basis. Der Düsendurchlaß durch das Gehäuse hat einen hinteren Teil, der mit den Luft- und Flüssigkeits-Leitungen der Basis in Verbindung steht, um die aus diesen Leitungen austretenden Strömungen aufzunehmen, und hat

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weiter einen vorderen Teil, der mit Abstand vorwärts von dem hinteren Teil liegt. Eine ringförmige Elektrode ist innerhalb des Gehäuses angeordnet, koaxial mit dem Düsedurchlaß, und hat ein vorderes Ende, das sich weiter rückwärts vom vorderen Ende des Düsendurchlasses durch das Gehäuse befindet, aber weiter vorwärts liegt als das Vorderende der Luft- und Flüssigkeitsleitungen. Die Basis und der hintere Teil des Düsendurchlasses durch das Gehäuse begrenzen eine Zone, wo Luft- und Flüssigkeitsströme aufeinandertreffen und eine vorwärts gerichtete Tröpfchenströmung bilden, die von einer Tröpfchen-bildenden Zone ausgeht, welche sich rückwärts vom vorderen Ende der Elektrode befindet. Eine gebläseartige Luftströmung durch die Elektrode und durch wenigstens einen Teil des Düsendurchlasses verhindern die Ablagerung von Tröpfchen darauf. Das Gehäuse ist aus elektrisch-isolierendem Material hergestellt, um elektrische Gefahren zu vermeiden, wenn die Elektrode sich auf hohem Potential gegenüber Erde befindet.

Die Sprühdüse nach der Erfindung verwendet typischerweise eine interne pneumatische Zerstäubung, um eine Flüssigkeitsströmung in eine Strömung von fein verteilten Tröpfchen innerhalb einer Tröpfchen-bildenden Zone zu verwandeln, welche sich innerhalb der Düse befindet. Während pneumatische. Zerstäubung gewählt wird, weil sie fein atomisierte Tröpfchen (typisch mit einem Durchmesser mit etwa 50 Micron) ergibt, die in dem Größenbereich liegen, wo elektrostatische Kräfte vorherrschen und in einem Größenbereich, von dem sich gezeigt hat, daß er deutliche Vorteile bei der chemischen Schädlingsfrernichtung bietet, können auch andere Verfahren zur Tröpfchenbildung im Rahmen der Erfindung verwendet werden. Unabhängig davon, welche Mittel zur Tröpfchenbildung verwendet werden, ist es für die Erfindung wichtig, daß die Tröpfchen-bildende Zone sich in der Düse befindet, so daß die Tröpchen von der Elektrode aufgeladen werden können, die in die Düse eingebettet ist, wodurch elektrische Gefahren ebenso wie mechanische Beschädigungen verhindert werden.

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Die Düse nach der Erfindung mit eingebetteter Induktionselektrode bietet zahlreiche Vorteile gegenüber vergleichbaren Sprühdüsen. So gibt die erfindungsgemäß Düse die Möglichkeit zum Einbau einer innen angebrachten pneumatischen Atomisiereinrichtung, die Tröpfchen geringerer Größe ergibt, wie sie für viele Anwendungszwecke wünschenswert sind und wirksam elektrostatische Kräfte verwenden können. Die Düse nach der Erfindung kann Partikel sowohl von Flüssigkeiten mit hoher elektrischer Leitfähigkeit als auch mit hohem Widerstand in sicherer und befriedigender Weise aufladen, wobei die Flüssigkeit in typischer Weise auf Erdpotential verbleibt. Die Düse kann d__as Sprühmittel gleich gut positiv oder negativ aufladen, und die Aufladung durch Induktion wird mit wesentlich niedrigeren Spannungen und geringeren Strömen erzielt, als sie bei gleichen Sprüh-Aufladungen durch andere Verfahren erforderlich sind, wie etwa durch Verfahren mit ionisiertem Feld. Zum Beispiel gestattet die geeignete Konstruktion und Anordnung der Induktionselektrode in der weiter unten im einzelnen beschriebenen Ausführungsform die Verwendung eines Elektrodenpotentials von nur etwa 2 kV, um eine Aufladung von Tröpfchen zu erzielen, wie sie bei typischen Düsen mit ionisiertem Feld mit etwa 15 bis 90 kV erreicht wird, und die erfindungsgemäße Düse verwendet bei dem Verfahren weniger als 1/2 Wgtt elektrischer Eingangsleistung. Die Einrichtung zum Energiezuführen für die Ladespannung wird an der Sprühdüse selbst befestigt oder in diese eingebettet, um auf diese Weise Leitungen mit hoher Spannung zu vermeiden, die zu Unfällen führen könnten oder mechanischer Beschädigung ausgesetzt wären, und die Einrichtung zur Versorgung mit Hochspannung kann ihrerseits von einem Eingang niedriger Spannung aus einer Quelle, wie einer 12-V-Batterie^ gespeist werden. Natürlich können in einer mehr kontrollierten Umgebung eine Anzahl Düsen eine gemeinsame Hochspannungsquelle haben durch Anschluß der Düsen über ein geeignetes Hochspannungskabel, zweckmäßig mit Mitteln zum einzelnen Kontrollieren

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der Ladespannung jeder Düse. Allgemein bietet eine erfindungsgemäße Sprühdüse die Vorteile geringer Kosten, Tragbarkeit bzw. Ortsungebundenheit, Sicherheit und Einfachheit und ist sowohl für industrielle Umgebungen als auch für weniger kontrollierte Umgebungen, wie etwa in der Landwirtschaft oder im privaten Bereich von Nutzen.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung-beispielsweise näher erläutert, und zwar zeigen

Fig. 1 einen Axialschnitt mit Blockschema für ein elektrostatisches Sprühdüsensystem, welches die Erfindungverkörpert;

Fig. 2 ein Diagramm» das die Beziehungen zwischen Strömungsrate der Flüssigkeit, Ladespannung (hohe Spannung) und Stromstärke der Sprühwolke in dem System der Fig.1 darstellt;

Fig. 3 ein anderes Diagramm, das die Beziehungen zwischen Ladespannung» Stromstärke der Sprühwolke und S-trömungsrate der Flüssigkeit für das System der Fig. 1 darstelltι und

Fig. 4 ein Diagramm, das die Stabilität der Sprühaufladung des Systems der Fig. 1 zeigt.

Fig. 1 zeigt eine Ätisführungsform einer elektrostatischen Sprühdüse nach der Erfindung, die einen im wesentlichen rohrförmigen Körper aufweist, der von einer Basis 10 und einem Gehäuse 12 gebildet wird, die im wesentlichen koaxial angeordnet und aneinander befestigt sind. Die Basis 10 hat eine axial sich erstreckende zentrale Leitung 14, die an ihrem hinteren Ende Flüssigkeit unter Druck von einer schematisch bei 16 gezeigten Flüssigkeitsquelle aufnimmt. Die Basis 10 hat weiter eine getrennte, nach vorn konvergierende Leitung 18, die an ihrem hinteren Ende ein Gas, etwa Luft, unter Druck von einer schematise*! bei 20 gezeigten Quelle aufnimmt. Die Gas- bzw. Luftleitung 18 kann die Gestalt einer An-

zahl einzelner Kanäle haben, die nach vorn, zum Vorderende der Flüssigkeitsleitung 14 hin konvergieren, wie es bei Düsen für pneumatische Zerstäubung üblich ist. Das aus isolierendem Material bestehende Gehäuse 12 hat einen axial sich erstreckenden Düsendurchlass, der koaxial zur Flüssigkeitsleitung 14 verläuft und eine rohrartigen Durchgang 22 aufweist sowie koaxial hierzu einen Durchgang 24 von geringerem Durchmesser, der in einer Düsenöffnung am Vorderende des Gehäuses 12-endet. Das hintere Ende des Durchgangs 22 im Gehäuse 12 steht mit den vorderen Enden der Flüssigkeitsleitung 14 und der Luftleitung 18 in Verbindung, um von diesen die Flüssigkeitsströmung 26 und die Luftströmung 28 aufzunehmen. Die Flüssigkeitsströmung 26 und die Luftströmung 28 kommen in einer Tröpfchen-bildenden Zone 30 zur gegenseitigen Einwirkung, wo die kinetische Energie der Luftströmung 28 von hoher Geschwindigkeit die Flüssigkeitsströmung 26 in Tröpfchen zerteilt bzw. zerschert und die restliche kinetische Energie der Luftströmung 28 führt die gebildete Tröpfchenströmung 32 weiter und bildet zusätzlich eine gebläseartigen Luftstrom 40. Die Tröpfchen der Tropfchenströmong 32 sind fein atomisiert bzw. zerstäubt und typisch von etwa 50 Mikron Durchmesser, obwohl gelegentlich auch wesentliche Abweichungen von dieser typischen Größe auftreten können. Eine ringförmige Induktionselektrode 34 aus elektrischleitendem Material wie Messing oder einem anderen Metall ist in das Gehäuse 12 eingebettet und umgibt den Durchgang 22 in der Nähe der Tröpfchen-bildenden Zone 30, so daß die elektrischen Feldlinien aufgrund der Potentialdifferenz zwischen der Elektrode 34 und der Flüssigkeitsströmung 26 auf dieser Flüssigkeitsströmung 26 enden können. Die Induktionselektrode 34 wird gegenüber der Flüssigkeitsströmung 26 durch eine Hochspannungsquelle 36 auf einem Potential gehalten, das einige 100 oder einige 1ooo V höher liegt« Die Hochspannungsquelle 36 ist am Gehäuse 12 befestigt und abgabeseitig mit der Elektrode 34 über einen Hochspannungsleiter 38 verbunden, während eingangsseitig eine

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Niederspannungsquelle 41 angeschlossen ist.Die Funktion der Hochspannungsquelle 36 besteht in der Umwandlung der niedrigen Eingangsspannung in eine gewählte hohe Ausgangspannung, z.B. die Umwandlung von 12 V Gleichstrom von einer Quelle wie eine Kraftfahrzeugbatterie zu einer hohen Ausgangsspannung bzw. Abgabe, die im Bereich von einigen 1oo bis einigen 1ooo Volt Gleichstrom einstellbar ist. Hochspannungsquellen dieser Art enthalten typischerweise einen Oszillator, der von der Gleichstromquelle niedriger Spannung gespeist wird und einen Wechsel-Stromausgang produziert, der von einem Umformer in einen Wechselstrom hoher Spannung umgewandelt wird, worauf anschließend ein Gleichrichter den Wechselstrom hoher Spannung des Umformers in eine Gleichstromspannung umwandelt und wobei Einstellmittel 36a vorgesehen sind, um die Spannungshöhe der Viechseistromabgabe des Umwandlers zu steuern. Weil der für die Hochspannungsquelle 36 verwendete Stromkreis nicht neu ist und derartige Spannungsquellen dem Stand der Technik zu entnehmen sind, ist eine ein- . gehendere Beschreibung hier nicht erforderlich.

Die Basis 10 besteht aus elektrisch leitendem Material, wie etwa Metall, und wird auf oder in der- Nähe von Erdpotential gehalten, wodurch auch die Flüssigkeitsströmung26 auf oder in der Nähe von Erdpotential verbleibt. Wenn die Tröpfchenströmung 32 in der T.röpfchen-bildenden Zone 30 hergestellt wird, wird jedes Tröpfchen induktiv aufgeladen, und die aufgeladenen Tröpfchen werden von einem Teil der kinetischen Energie der Luftströmung 28 vorwärts und aus der Sprühdüse herausbefördert. Wegen der gezeigten Konfiguration der Düse bildet sich ein Luftstrahl bzw. -strom 40 um die tröpfchenbildene Zone 30 und die Tröpfchenströmung 32 herumjum die innere Oberfläche der Elektrode 34, das ist die Seite, die der tröpfchenbildenden Zone und dem anfänglichen Teil der Tröpfchenströmung 32 zugewendet ist, vollständig trocken und glatt zu halten. Dieser Luftstrom 40 verhindert, daß irgendwelche Tröpfchen an der inneren Oberfläche der Elektrode 34 abgelagert werden. Ohne den Luftstrom 40 wäre es mög-

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lieh, das Tröpfchen auf die Elektrode 34 gelangen und sich in dem starken elektrischen Feld unmittelbar vor der Elektrode anhäufen, was zum Auslösen einer Korona-Entladung und zur Zerstörung des elektrostatischen Induktions-Aufladevorgangs führen könnte. Der Luftstrom 40 umgibt die Tröpfchenströmung 32 auch weiterhin, während sie sich durch die Düsendurchgänge 22 und des Gehäuses 12 bewegt und hält dadurch auch die Durchgänge 22 und 24 trocken und einen hohen Oberflächenwiderstand des diese Durchgänge bildenden Isoliermaterials aufrecht.

Die in Fig. 1 gezeigte Sprühdüse stellt einen speziellen Prototyp der erfindungsgemäßen Düse für Versuchszwecke dar, der in einem Maßstab gezeichnet ist, für den einige maßgebliche praktische Werte die folgenden sind: Durchmesser des Durchgangs 24 0,110 Zoll; Durchmesser des Durchgangs 22 - 0,140 Zoll; Außendurchmesser der Induktionselektrode 34 - 0,625 Zoll; Dicke der Elektrode 34 - 0,050 Zoll; kombinierte Länge derDurchgänge 22 und 24 - 0,265 Zoll. Da die Elektrode 34 mit Abstand von der Vorderseite des Gehäuses 12 liegt (ein Abstand von 0,100 Zoll "bei der obenerwähnten Versuchsausführung), und weil das Gehäuse 12 aus elektrisch isolierendem Materal hergestellt ist, bedeutet die Elektrode 34 keine elektrische Gefahrenquelle und ist auch bei der praktischen Benutzung der Sprühdüse nicht mechanischen Beschädigungen ausgesetzt. Weil weiter die Hochspannungsquelle 36 am Gehäuse 12 befestigt ist und die einzige Hochspannungsleitung, nämlich der Leiter 38, in das Gehäuse 12 eingebettet und vollständig von der Hochspannungsquelle 26 umschlossen ist, droht kaum Gefahr von den Hochspannungskomponenten dieser Quelle, und für diese Komponenten ist eine mechanische Beschädigung weitgehend ausgeschlossen. Weil der strahlartige Luftstrom 40 die Durchgänge 22 und 24 trocken hält, können auch Stromverluste praktisch kaum auftreten.

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Versuchsergebnisse mit der in Fig. 1 dargestellten erfindungsgeinäßen Düse zeigen, daß sie eine Rauraladungs- oder Sprühwolken-Stromsättigungscharakteristik mit Hinblick auf die Strömungsraten der Flüssigkeit hat derart, daß oberhalb einer gewissen Minimalströmung der Sprühwolkenstrom annähernd unabhängig von der Strömungsrate der Flüssigkeit wird. Jn Fig. 2, die eine Darstellung solcher Versuchsergebnisse zeigt, gibt die Horizontalachse die Strömungsraten der Flüssigkeit durch die Düse in Einheiten von cnr/min, u*¹⁰- die Vertikalachse den Sprühwolkenstrom in Mikro-Ampere wieder. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die drei Kurven, die Potentiale der Elektrode 34 gegenüber der Flüssigkeitsströmung 26 von 1 bzw. 2 bzw. 3 kV betreffen, zeigen, daß der Sprühwolkenstrom für Strömungsraten oberhalb von etwa eine Gallone pro Stunde im wesentlichen unabhängig von der Strömungsrate wird. Diese Charakteristik der erfindungsgemäßen Sprühdüse ergibt ein gewisses Maß an Selbstregulierung der Raumladung, welche der Sprühwolke mitgeteilt wird, unter Bedingungen konstanter Ladespannung und Strömungsraten der Flüssigkeit, die absichtlich geändert werden oder sich unabsichtlich ändern.

Außerdem zeigen Versuche mit der Düse der Fig. 1, daß der Sprühwolkenstrom für typisch zur.Anwendung kommende Strömungsraten der Flüssigkeit annähernd proportional zur Spannung der Elektrode 34 ist. Bezugnehmend auf Fig. 3 gibt die Horizontalachse die Spannung der Elektrode 34 in bezug auf die Flüssigkeitsströmung 26 in Einheiten von kV an und die Vertikalachse den Sprühwolkenstrom in Einheiten von Mikro-Ampere. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß für jede der gezeigten Strömungsraten der Sprühwolkenstrom sich annähernd direkt proportional mit der Spannung der Elektrode 34 gegenüber der Flüssigkeitsströmung 26 ändert. Es ist zu bemerken, daß die maximale erreichte Sprühv/olkenladung (7,2 Mikro-Ampere bei 80 cm /min. für Wasser) etwa 155* der theoretischen Rayleigh Ladungsgrenze für Wasser darstellt, wenn ein durchschnittlicher

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Tröpfchendurchmesser von 50 Mikron angenommen wird. Es stellt zugleich eine Tröpfchenladung dar, die wenigstens dreimal größer ist als diejenige, die mit vorbekannten Techniken der Aufladung durch ein ionisiertes Feld den Tröpfchen mitgeteilt werden könnte. Zu&eachten ist dabei, daß die Daten der Fig. 3 begrenzt sind durch die Verwendung einer Energiezufuhr von 0-3 kV. ¥enn eine Energiezufuhr mit höherer Abgabe verwendet wird, zeigen die Ergebnisse eine Sprühaufladung bis zu 11 Mikro-Ampere bei Ladespannungen von etwa +5 kV mit entsprechend höherem Prozentsatz der Rayleigh^fsehen Grenzladung. Weiter ist bei größerem Tröpfchendurchmesser der zugehörige Prozentsatz der Rayleigh'sehen Grenzladung höher; z.B. etwa 26?o und hO% der Grenzladung für Tröpfchendurchmesser von 75 bzw. 100 Mikron, jeweils für eine Strömungsrate der Flüssigkeit von etwa 80 cm /min. und einen Sprühwolkenstroni ΎΟΏ. 7,2 Mikro-Ampere bei 3 kV.

Weitere Versuche mit der Düse der Fig. 1 zeigen eine Langzeit-Stabilität der Sprühladung der Düse an. Gemäß der Fig. 4, welche die Aufzeichnung eines Meßstreifens für den Sprühwolkenstrom in Abhängigkeit von der Zeit für einen kontinuierlichen Test von 80 Minuten wiedergibt, wurde die Auflade spannung jeweils nach 10 Minuten in Stufen von 500 V Gleichstrom erhöht. Bei jeder Einstellung der Reihe wurde gefunden, daß der Sprühwolkenstrom konstant blieb mit Schwankungen von weniger als +2% um seinen Mittelwert. Der leicht negative Sprühwolkenstrom während der ersten 10 Minuten (bei 0 Volt) entspricht der.typischen kleinen Ladung, die während der Tropfchenbildung/^&ent; die letzten 10 Minuten (bei 3 000 Volt und abgestellter Flüssigkeitsströmung) verifizieren, daß negative Luftionen, möglicherweise durch Ionisation innerhalb der Düse verursacht, nicht von der Düse weggeblasen wurden und nicht als Komponente des Sprühwolkenstroms gemessen wurden (ein am Flüssigkeitseingang der Sprühdüse nach Abstellen der Flüssigkeitsströmung verbliebener Spritzer von Sprühwasser verursachte die gezeigte Stromspitze). Eine Anzahl ähnlicher Langzeittests belegte das

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Ergebnis, daß die Düse eine störungsfreie Sprühaufladung ergibt, ohne das Kurzschlüsse, Funkenbildung oder Koronaentladung festgestellt v/erden konnten.

Es sei noch bemerkt, daß eine Anzahl Düsen am gleichen Trägergestell befestigt v/erden kann, um einen größeren Bereich zu besprühen. Jede Düse kann eine unabhängige Zufuhr von Hochspannung, wie oben beschrieben, erhalten, oder es kann eine Mehrzahl von Düsen an eine gemeinsame Hochspannungszufuhr angeschlossen sein, vorausgesetzt, daß die Umgebung der Art ist, daß keine signifikante elektrische Gefährdung von den Hochspannungskomponenten, welche die· Düsen mit der gemeinsamen Hochspannungsquelle verbinden, zu befürchten ist. Die elektrische Raumladung der aufgeladenen Tröpfchen kann durch Ändern der Ladespannung, v/ie oben beschrieben, verändert werden oder durch Ändern anderer Parameter für die jede der folgenden in Betracht kommt: Tröpfchengröße, elektrischer Widerstand der Flüssigkeit, Geschwindigkeit der Tröpfchenströmung und dergleichen.

Die Erfindung schafft also ein System zum elektrostatischen Sprühen von Flüssigkeiten, wie etwa Pestiziden für die Landwirtschaft, Farben und sonstigenFlüssigkeiten, bei dem pneumatische Zerstäubung und Aufladung durch elektrostatische Induktion, insbesondere in einer neuartigen Sprühdüse verwendet wird, um eine Strömung von elektrostatisch aufgeladenen feinen Tröpfchen zu schaffen. Die Düse erhält eine Energiezufuhr von niedriger Spannung, z.B. einer 12 V-Batterie, die dann elektronisch auf eine Spannung von mehreren hundert bis mehreren tausend Volt gebracht und einer vorzugsweise ringförmigen Induktionselektrode aufgedrückt wird, die in die Sprühdüse eingebettet ist. Die Hochspannungskomponenten befinden sich innerhalb der Düse,, die aus einem elektrisch isolierenden Mate:ial hergestellt ist, um eine Gefährdung durch Hochspannung zu vermeiden, ebenso wie die Möglichkeit mecha-

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nischer Beschädigung der Hochsparmungskoraponenten. Die Sprühdüse arbeitet mit einer relativ niedrigen Spannung und einer niedrigen Eingangsleistung, ergibt jedoch eine Tröpfchenströinung von hoher Ladung für eine wirksame und einheitliche Ablagerung der gesprühten Flüssigkeit auf das gewünschte Ziel.

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Claims

5. Juli 1976 ^Y

Da/Schm Case 14069

Research Corporation
Patentansprüche:

)Elektrostatische Sprühdüse mit einem Gehäuse aus elektrisch isolierendem Material mit einem axial von vorn nach hinten sich erstreckenden Durchlaß^ und mit einer innerhalb des Gehäuses angeordneten, den Durchlaß koaxial umgebenden, beispielsweise ringförmigen, Elektrode aus elektrisch leitendem Material, deren Vorderende in vorbestimmten Abstand längs des Durchlasses hinter dem Vorderende des Gehäuses liegt, sowie mit Mitteln zum Formen einer axial durch den Durchlaß sich bewegenden Tröpfchenströmung, die von einer tröpfchenbildenden Zone hinter dem Vorderende der Elektrode ausgeht, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Formen der Tröpfchenströmung (32) eine Flüssigkeitsleitung (14) enthalten, deren Vorderende axial hinter der Elektrode (34) liegt, und daß Mittel (22) zum Formen einer Flüssigkeitsströmung (26) vorgesehen sind, die sich von dem Vorderende der Flüssigkeitsleitung (14) axial vorwärts bewegt.

2. Sprühdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß Mittel (18, 28) zum Formen eines Gasstroms (40) längs der der Tröpfchenströmung (32) zugewandten Oberfläche der Elektrode (34) vorgesehen sind, welche diese Oberfläche der Elektrode von der Tröpfchenströmung trennen.

3. Düse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß die Mittel zum Formen des Gasstroms (40) Mittel zum Formen eines Gasstrbms aufweist^ der sich durch denjenigen Teil (24) des Durchlasses erstreckt, der

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zwischen der Elektrode (34) und dem Vorderende des Gehäuses (12) liegt und der die Oberfläche dieses Teils (24) des Durchlasses von der Tröpfchenströmung (32) trennt.

4. Sprühdüse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Mittel (36) vorgesehen sind, durch welche die Elektrode (34) auf einem vorbestimmten Potential relativ zum Potential der Flüssigkeitsströmung (26) gehalten wird, wobei diese elektrischen Mittel einen Eingang (41) für niedrige Spannung, ein an der Düse befestigtes Isoliergehäuse und in diesem einen Spannungswandler (36) zum Umwandeln der niedrigen Eingangsspannung in eine hohe Ausgangsspannung von vorbestimmten Portential gegenüber der

aufweisen Flüssigkeitsströmung (26)/ wobei der Spannungswandler in diesem Gehäuse eingeschlossen ist, und daß weiter ein Leiter (38) zum Anlegen der hohen Ausgangsspannung an die Elektrode (34) im Gehäuse vorgesehen ist.

5. Sprühdüse nach Anspruch 1,
dadurch g-e kennzeichnet, daß die Mittel zum Formen der Tröpfchenströmung eine pneumatische Zerstäubereinrichtung (20,28) enthalten.

6. Elektrostatische Sprühdüse,

gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale:

Eine ringförmige Induktionselektrode (34) aus elektrisch leitendem Material mit axial im Abstand voneinander liegendem vorderen und hinteren Ende; Mittel zum Umformen einer Flüssigkeit (26) in eine axial durch die Elektrode (34) sich vorwärts bewegende Tröpfchenströmung (32) und zum Formen eines längs derjenigen Oberfläche der Elektrode (34), die der Tröpfchenströmung zuge-

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kehrt ist, sich bewegenden Gasstroms (40), welche diese Oberfläche von der Tröpfchenströmung (32) trennt, wobei die vorgenannten Mittel Mittel (14) enthalten zum Formen einer Flüssigkeitsströmung (26), die sich axial vorwärts bewegt und im wesentliche koaxial zu der Elektrode (34) ^ sowie Mittel (,18) zum Formen eines ringförmigen Luftstroms

(40), der sich axial vorwärtsbewegt und zugleich die Flüssigkeitsströmung (26) in die Tröpfchenströmung (32) umformt und den Gasstrom (40) längs der genannten Elektrodenoberfläche bildet;

Mittel (36), durch welche die Elektrode (34) auf einem vorbestimmten elektrischen Potential gegenüber der Flüssigkeit (16) gehalten wird;

ein hohles Gehäuse (12) aus elektrisch isolierendem Material, welches die ringförmige Elektrode (34) umgibt und dessen Vorderwand in Strömungsrichtung vor dem vorderen Ende der Elektrode (34) liegt und eine Sprühöffnung (24), im wesentliche koaxial mit der Elektrode (34) bildet.

7« Sprühdüse nach Anspruch 6,

dadurch g-e kennzeichnet, daß die Mittel zum Formen der Tröpfchenströmung (32) und des gasförmigen Stroms (40) eine pneumatische Sprühdüse (18) enthalten, die innerhalb des Gehäuses (12) an einer Stelle rückwärts vom Vorderende der Elektrode (34) liegt.

8. Sprühdüse nach Anspruch 7»

dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Formen eines Gasstroms . (40), welchsrsich längs der Sprühöffnung (24) bewegt vorgesehen sind und ■welche?die der Tröpfchenströmung (32) zugekehrte Oberfläche dieser Öffnung (24) von der Tröpfchenströmung trennt.

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9. Sprühdüse nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel, "welche die Elektrode (34) auf einem vorbestimmten Potential halten, eine am Gehäuse (12) befestigte Isolierkappe aufweisen, welche Mittel zum Empfang eines Eingangs niedriger Spannung enthält, sowie Mittel (36) zum Umwandeln der niedrigen Eingangsspannung (41) in eine hohe Ausgangsspannung, und im Gehäuse (12) eingeschlossene Mittel (38) zum Anlegen der hohen Spannung an die ringförmige Elektrode (34).

10. Sprühdüse nach Anspruch 1,

gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale:

Eine Basis (10) mit einer axial durch diese hindurch sich erstreckenden zentral, en Leitung (14) zur Aufnahme einer unter Druck stehenden Flüssigkeit (20) an ihrem hinteren Ende und zur Abgabe einer vorwärts gerichteten Flüssigkeitsströmung (26) von ihrem vorderen Ende, sowie weiter mit einer im wesentlichen axial sich erstreckenden Leitung (18), die an ihrem hinteren Ende Druckluft aufnimmt und an ihrem vorderen Ende eine konvertierende Luftströmung (28) abgibt, die mit der Flüssigkeitsströmung (26) zusammentrifft und diese zerstäubt; und wobei

das Gehäuse(12) starr an der Basis (10) befestigt ist und sein axial sich erstreckender hohler Durchlaß (22) koaxial zur Flüssigkeitsleitung (14) der Basis ist und der Durchlaß weiter in seinem hinteren Teil mit der Luft- und der Flüssigkeitsleitung (14 bzw. 18) in Verbindung steht und die daraus austretenden Strömungen (28 bzw. 26) aufnimmt; und wobei

das Vorderende der ringförmigen Elektrode (34) weiter rückwärts als der vordere Teil des Durchlasses (22), aber weiter vorwärts als die vorderen Enden der Leitungen (14 bzw. 18) liegt und wobei das Hinterende der Elektrode weiter vorn als das Vorderende von wenigstens einer Leitung (14)liegt;

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und wobei

die Basis (10) und der hintere Teil des Durchlasses (22) eine tröpfchenbildende Zone (30) einschließen, v/o die Luft- und Flüssigkeitsströmungen (28 bzw. 26) zusammentreffen, um eine vorwärtsgerichtete Tröüfchenströmung (32) kombiniert mit einem Luftstrom (40)/bilden, welcher die Elektrode (34) von der Flüssigkeitsströmung (26) und der Tröpfchenströmung (32) trennt und sie frei von Tröpfchen und Flüssigkeit halt.

11. Sprühdüse nach Anspruch 10 ,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Energiequelle vorgesehen ist, welche die Elektrode (34) auf einem vorbestimmten elektrischen Potential gegenüber der die Flüssigkeitsströmung (26) bildenden Flüssigkeit (16) hält, daß die Energiequelle Komponenten niedriger und hoher elektrischer Spannungen aufweist und daß Mittel vorgesehen sind, um mindestens die Komponenten hoher Spannung in einer elektrisch isolierenden, am Gehäuse (12) befestigten Ummantelung in der Nähe der Elektrode (34) einzuschließen.

12. Verfahren zum Formen einer Strömung von elektrostatisch aufgeladenen Flüssigkeitströpfchen mit folgenden ■Verfahrensschritten:

von einem Flüssigkeitsstrahl ausgehend, diesen in eine Strömung feinverteilter Flüssigkeitströpfchen umwandeln, die sich in einer vorbestimmten Richtung bewegt ;

induktives Aufladen der Tröpfchen in dieser Strömung mittels eines toroidförmigen elektrostatischen Feldes, dessen Kraftlinien von einer ringförmigen Induktionselektrode ausgehend an der Tröpfchenströmung enden, wobei das toroidförmige Feld koaxial zu der vorbestimmten Richtung liegt; und

einschließen der Induktionslektrode in einem elektrisch isolierenden Gehäuse mit einer Öffnung, die koaxial zu

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der vorbestimmten Richtung liegt und den Austritt der aufgeladenen Tröpfchenströmung aus dem Gehäuse gestattet,

dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Elektrode und das durch sie erzeugte toroidförmige elektrische Feld innerhalb des Gehäuses mit Abstand von der genannten Öffnung aber v/eiter vorwärts als der Ursprung des Flüssigkeitsstrahls liegen.

13. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensstufe der Umwandlung des Flüssigkeitsstrahls in einen Tröpfchenstrahl innerhalb einer tröpfchen formenden Zone erfolgt, die innerhalb des Gehäuses liegt, und daß die Kraftlinien des elektrischen Feldes an der tröpfchenbildenden Zone enden.

14. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, daß ein gasförmiger Strom (40) gebildet wird, der sich längs derjenigen Oberfläche der Elektrode erstreckt, die gegen die Tröpfchenströmung gerichtet ist und d©r diese Oberfläche von der Tröpfchenströmung trennt.

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