AT515995B1

AT515995B1 - Apparatus and method for atomizing a liquid

Info

Publication number: AT515995B1
Application number: ATA50482/2014A
Authority: AT
Inventors: Dr Ing Habil Brenn Günter; Dipl Ing Salman Patrick
Original assignee: Univ Graz Tech
Priority date: 2014-07-10
Filing date: 2014-07-10
Publication date: 2018-08-15
Also published as: AT515995A1

Abstract

Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit. Um insbesondere auf ein zusätzliches Fluid zur Zerteilung eines Stroms der Flüssigkeit in Tröpfchen verzichten zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Vorrichtung einen Strömungskanal (3) umfasst, welcher in einem Betriebszustand der Vorrichtung ausschließlich von der Flüssigkeit durchströmbar ist, wobei der Strömungskanal (3) einen Austrittsabschnitt (13) aufweist, welcher Austrittsabschnitt (13) zumindest abschnittsweise von einer ersten Fläche (6) und einer zweiten Fläche (7) begrenzt wird, wobei die Vorrichtung weiters einen Austrittsquerschnitt (4) mit einer Breite (l) zum Austreten der Flüssigkeit aus dem Austrittsabschnitt (13) aufweist, wobei weiters die erste Fläche (6) und/oder die zweite Fläche (7) gekrümmt sind/ist, um eine zentrifugale Instabilität der Strömung der Flüssigkeit mit Wirbeln im Austrittsabschnitt (13) zu erzeugen und anwachsen zu lassen, und wobei die Krümmung der ersten Fläche (6) und/oder der zweiten Fläche (7) und die Breite (l) des Austrittsquerschnitts (4) derart aufeinander abgestimmt sind, um ein Austreten der Flüssigkeit durch den Austrittsquerschnitt (4) in Form von entlang von Wirbelachsen (2) der Wirbel verlaufenden Flüssigkeitsstrahlen (11) zu ermöglichen.Device for atomizing a liquid. In order, in particular, to be able to dispense with an additional fluid for dividing a flow of the liquid into droplets, it is provided according to the invention that the device comprises a flow channel (3), which in an operating state of the device can only be flowed through by the liquid, wherein the flow channel ( 3) has an outlet section (13), which outlet section (13) is delimited, at least in sections, by a first surface (6) and a second surface (7), the device further having an outlet cross-section (4) with a width (1) for emergence the liquid from the exit section (13), further wherein the first surface (6) and / or the second surface (7) is curved to create a centrifugal instability of the fluid flow with vortices in the exit section (13) and to grow, and wherein the curvature of the first surface (6) and / or the second surface (7) and the Width (L) of the outlet cross-section (4) are coordinated with each other in such a way to allow leakage of the liquid through the outlet cross section (4) in the form of along vortex axes (2) of the vortex extending liquid jets (11).

Description

Beschreibungdescription

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR ZERSTÄUBUNG EINER FLÜSSIGKEIT GEBIET DER ERFINDUNGDEVICE AND METHOD FOR SPRAYING A LIQUID FIELD OF THE INVENTION

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit, die Vorrichtung umfassend einen Strömungskanal, welcher in einem Betriebszustand der Vorrichtung ausschließlich von der Flüssigkeit durchströmbar ist, wobei der Strömungskanal einen Austrittsabschnitt aufweist, welcher Austrittsabschnitt zumindest abschnittsweise von einer ersten Fläche und einer zweiten Fläche begrenzt wird, wobei die Vorrichtung weiters einen Austrittsquerschnitt zum Austreten der Flüssigkeit aus dem Austrittsabschnitt aufweist, wobei eine Randlinie des Austrittsquerschnitts zumindest abschnittsweise in der ersten Fläche und/oder in der zweiten Fläche verläuft und wobei der Austrittsquerschnitt eine Breite aufweist, welche einem geringsten Abstand der ersten Fläche zur zweiten Fläche entspricht, wobei dieser Abstand in einer Schnittebene gemessen ist, in welcher Schnittebene eine Längsachse des Austrittsabschnitts verläuft, wobei weiters die erste Fläche und/oder die zweite Fläche gekrümmt sind/ist, um eine zentrifugale Instabilität der Strömung der Flüssigkeit mit Wirbeln im Austrittsabschnitt zu erzeugen und anwachsen zu lassen, und wobei die Krümmung der ersten Fläche und/oder der zweiten Fläche und die Breite des Austrittsquerschnitts derart aufeinander abgestimmt sind, um ein Austreten der Flüssigkeit durch den Austrittsquerschnitt in Form von entlang von Wirbelachsen der Wirbel verlaufenden Flüssigkeitsstrahlen zu ermöglichen.The present invention relates to a device for atomizing a liquid, the device comprising a flow channel, which in an operating state of the device can only be flowed through by the liquid, wherein the flow channel has an outlet portion, which outlet portion at least partially from a first surface and a wherein the device further comprises an outlet cross-section for exiting the liquid from the outlet section, wherein an edge line of the outlet cross-section extends at least partially in the first surface and / or in the second surface and wherein the outlet cross-section has a width which is a minimum Distance of the first surface to the second surface corresponds, said distance being measured in a sectional plane, in which sectional plane extends a longitudinal axis of the exit portion, wherein further the first surface un d / or the second surface is curved to create and increase centrifugal instability of the fluid flow with vortices in the exit section, and wherein the curvature of the first surface and / or the second surface and the width of the exit cross-section are mutually contiguous are tuned to allow leakage of the liquid through the outlet cross section in the form of along vertebral axes of the vortex extending fluid jets.

[0002] Weiters betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Zerstäubung einer Flüssigkeit, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: [0003] - Erzeugen einer Strömung der Flüssigkeit durch einen Strömungskanal, wobei lediglich die Flüssigkeit durch den Strömungskanal strömt und wobei die Flüssigkeit aus einem Austrittsabschnitt des Strömungskanals durch einen Austrittsquerschnitt austritt; [0004] - Bildung von Flüssigkeitsstrahlen am Austrittsquerschnitt durch Erzeugen und Anwach senlassen einer zentrifugalen Instabilität der Strömung der Flüssigkeit im Austrittsabschnitt mit Wirbeln, wobei die Flüssigkeitsstrahlen im Austrittsquerschnitt entlang von Wirbelachsen der Wirbel verlaufen und wobei die Flüssigkeitsstrahlen derart dimensioniert werden, dass die Flüssigkeitsstrahlen in weiterer Folge aufgrund der Plateau-Rayleigh-Instabilität zu Tröpfchen zerfallen, wobei für die Erzeugung der zentrifugalen Instabilität die strömende Flüssigkeit im Austrittsabschnitt entlang zumindest einer gekrümmten Fläche geführt wird, welche gekrümmte Fläche den Austrittsabschnitt begrenzt und in welcher eine Randlinie des Austrittsquerschnitts zumindest abschnittsweise verläuft.Furthermore, the present invention relates to a method for atomizing a liquid, the method comprising the following steps: - Generating a flow of the liquid through a flow channel, wherein only the liquid flows through the flow channel and wherein the liquid from a Outlet portion of the flow channel exits through an outlet cross-section; Forming liquid jets at the outlet cross-section by generating and Anwach Senlassen a centrifugal instability of the flow of liquid in the exit section with vortices, the liquid jets in the outlet cross-section along vortex axes of the vortex and wherein the liquid jets are dimensioned such that the liquid jets in further Due to the plateau Rayleigh instability decay to droplets, for the generation of centrifugal instability, the flowing liquid is guided in the outlet section along at least one curved surface, which curved surface defines the outlet section and in which an edge line of the outlet cross-section extends at least in sections.

[0005] Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.Finally, the present invention relates to the use of a device according to the invention.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

[0006] Flüssigkeiten werden in vielen technischen Anwendungen in zerstäubter Form, d.h. in Form von Flüssigkeitströpfchen (auch als „Spray" bezeichnet), eingesetzt. Dabei ist es bei vielen Anwendungen wünschenswert, dass die Flüssigkeitströpfchen möglichst gleich groß („monodispers") sind.Liquids are used in many industrial applications in atomized form, i. In the form of liquid droplets (also called "spray"), it is desirable in many applications that the liquid droplets are as equal as possible ("monodisperse").

[0007] Zur Umwandlung eines zusammenhängenden Flüssigkeitsstroms in einzelne Tröpfchen sind aus dem Stand der Technik Verfahren bzw. Vorrichtungen bekannt, die als aufwendig bezeichnet werden müssen, da ein zusätzliches Fluid zur Zerteilung des Flüssigkeitsstroms in einzelne Tröpfchen verwendet wird. So sind beispielsweise aus der US 5679135 A oder der US 5129583 A Düsen zur Zerstäubung einer Flüssigkeit bekannt, bei welchen neben der Flüssigkeit ein Gas in die Düse eingeleitet wird, um eine Zerstäubung der Flüssigkeit beim Austritt aus der Düse zu bewirken.For the conversion of a coherent liquid flow into individual droplets, methods or devices are known from the prior art, which must be described as expensive, since an additional fluid for the division of the liquid flow is used in individual droplets. For example, US Pat. No. 5,679,135 or US Pat. No. 5,195,583 discloses nozzles for atomizing a liquid in which, in addition to the liquid, a gas is introduced into the nozzle in order to atomise the liquid as it exits the nozzle.

[0008] Schließlich sind bekannte Verfahren bzw. Düsen nur bedingt in der Lage, hohe Anforderungen betreffend Monodispersität der Tröpfchen zu erfüllen.Finally, known methods or nozzles are only partially able to meet high requirements regarding monodispersity of the droplets.

[0009] Aus der EP 0520571 A1 ist eine Düse zum Zerstäuben von Flüssigkeit bekannt, wobei die Flüssigkeit unter Druck durch einen im Wesentlichen ringförmigen Spalt strömt. Der Spalt wird dabei z.B. zwischen einer Kugel und einer kreisförmigen Öffnung, innerhalb der die Kugel angeordnet ist, ausgebildet. Die Flüssigkeit tritt durch den Spalt als Lamelle aus, welche sich in der Folge ausdehnt und dabei dünner wird, sodass sich im Randbereich der Lamelle kleine Tröpfchen bilden. Das Auftreten von einzelnen Flüssigkeitsstrahlen ist nicht vorgesehen, sondern es wird im Gegenteil die Ausbildung eines einzelnen Flüssigkeitsstrahls als nachteilig beschrieben.From EP 0520571 A1 a nozzle for atomizing liquid is known, wherein the liquid flows under pressure through a substantially annular gap. The gap is e.g. formed between a ball and a circular opening, within which the ball is arranged. The liquid exits through the gap as a lamella, which expands in the sequence and thereby becomes thinner, so that small droplets form in the edge region of the lamella. The occurrence of individual liquid jets is not provided, but on the contrary the formation of a single liquid jet is described as disadvantageous.

[0010] Aus der US 2005/0045750 A1 ist eine Düse zur Erzeugung monodisperser Tröpfchen bekannt, wobei Flüssigkeit unter Druck durch einen ringförmigen Spalt geleitet wird, der zwischen einer Kugelkalotte und einem sich konisch erweiternden Rohr angeordnet ist. Durch Variation des Abstands der Kugelkalotte zur Rohrinnenwand kann die Spaltgröße variiert werden, um wiederum die Tröpfchengröße einzustellen. Die Flüssigkeit bildet beim Passieren des Spalts Strahlen aus, wobei jeder dieser Strahlen letztendlich in feine Tröpfchen aufbricht.From US 2005/0045750 A1 a nozzle for generating monodisperse droplets is known, wherein liquid is passed under pressure through an annular gap which is arranged between a spherical cap and a conically widening tube. By varying the distance of the spherical cap to the tube inner wall, the gap size can be varied to in turn adjust the droplet size. The liquid forms jets as it passes the gap, each of which ultimately breaks up into fine droplets.

[0011] Eine Optimierung der Monodispersität durch ein bestimmtes Verhältnis von einer Breite des Spalts zu einem Krümmungsradius der Kugelkalotte und/oder des Rohrs wird nicht offenbart.An optimization of the monodispersity by a certain ratio of a width of the gap to a radius of curvature of the spherical cap and / or the tube is not disclosed.

AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION

[0012] Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Zerstäubung von Flüssigkeiten zur Verfügung zu stellen, die einen geringen konstruktiven Aufwand erfordern und dennoch eine hohe Monodispersität der Tröpfchen garantieren. Insbesondere soll auf ein zusätzliches Fluid zur Zerteilung eines Stroms der Flüssigkeit in Tröpfchen verzichtet werden können.It is therefore an object of the present invention to provide an apparatus and a method for atomizing liquids available that require little design effort and yet guarantee a high monodispersity of the droplets. In particular, it should be possible to dispense with an additional fluid for dividing a flow of the liquid into droplets.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNGPRESENTATION OF THE INVENTION

[0013] Grundsätzlich ist es bekannt, dass ein feiner Flüssigkeitsstrahl aufgrund auftretender Kapillarkräfte in Tröpfchen zerfallen kann, was auch als Plateau-Rayleigh- Instabilität bezeichnet wird. Dabei entstehen aufgrund von Unregelmäßigkeiten in der Strahlströmung, die aus der Flüssigkeitszufuhr stammen oder aus der Umgebungsluft übertragen werden können, „Störungen" bzw. Verformungen des Strahls. Diese Störungen können anwachsen und zu einem Abschnüren des Flüssigkeitsstrahls und damit zur Bildung von Tröpfchen führen.In principle, it is known that a fine liquid jet can disintegrate into droplets due to capillary forces occurring, which is also referred to as plateau Rayleigh instability. As a result of irregularities in the jet flow, which originate from the liquid supply or can be transferred from the ambient air, "disturbances" or deformations of the jet are created.These disturbances can increase and lead to constriction of the liquid jet and thus to the formation of droplets.

[0014] Ein Aspekt der Erfindung ist es, für die Erzeugung von Flüssigkeitströpfchen aus einem Flüssigkeitsstrom diese Plateau-Rayleigh-Instabilität auszunutzen. Dies bedingt die Erzeugung von Flüssigkeitsstrahlen, die in weiterer Folge aufgrund der Plateau-Rayleigh-Instabilität in einzelne Tröpfchen zerfallen können. Je genauer die Flüssigkeitsstrahlen dabei dimensioniert werden können, desto genauer lässt sich die Tröpfchengröße sowie deren Dispersität einstellen. Kern der Erfindung ist es nun, zur Erzeugung der Flüssigkeitsstrahlen den Flüssigkeitsstrom nicht etwa durch Lochblenden oder Bohrungen zu führen oder gar mittels eines Mechanismus mit bewegten Teilen aufzuteilen, da dies das Risiko von rascher Verstopfung bzw. Defektanfälligkeit mit sich bringen würde. Stattdessen ist erfindungsgemäß die Ausnutzung des - an sich bekannten - Phänomens der zentrifugalen Instabilität von Flüssigkeitsströmungen vorgesehen.One aspect of the invention is to exploit this plateau Rayleigh instability for the generation of liquid droplets from a liquid stream. This causes the generation of liquid jets, which can subsequently disintegrate into individual droplets due to the plateau Rayleigh instability. The more accurately the liquid jets can be dimensioned, the more precisely the droplet size and its dispersity can be set. The core of the invention is now not to lead to the generation of liquid jets, the liquid flow through orifices or holes or even by means of a mechanism with moving parts, as this would bring the risk of rapid clogging or susceptibility to defects. Instead, according to the invention, the exploitation of the - known per se - phenomenon of centrifugal instability of liquid flows is provided.

[0015] Die zentrifugale Instabilität von Flüssigkeitsströmungen ist grundsätzlich für drei verschiedene Strömungsformen bekannt: die Taylor-Strömung zwischen zwei koaxialen Kreiszylindern, die um ihre Achse rotieren; die Görtler-Strömung, welche durch Zentrifugalkräfte in Grenzschichten längs gekrümmter Wände beeinflusst wird; und die Dean-Strömung, die unter Druckeinfluss zwischen zwei gekrümmten, still stehenden Wänden verläuft. In all diesen Fällen erzeugt die zentrifugale Instabilität Wirbel mit Wirbelachsen bzw. Drehachsen längs der gekrümmten Wände.The centrifugal instability of liquid flows is basically known for three different flow forms: the Taylor flow between two coaxial circular cylinders which rotate about their axis; the Görtler flow, which is influenced by centrifugal forces in boundary layers along curved walls; and the Dean flow, which is under pressure between two curved, stationary walls. In all these cases, the centrifugal instability produces vortices with vertices along the curved walls.

[0016] Im Falle von Flüssigkeitsströmungen strukturieren diese Wirbel das Strömungsfeld in einer Weise, dass bei der Dean-Strömung am Austritt aus einem Strömungskanal einzelne Wirbelfäden in von einander getrennte Flüssigkeitsstrahlen umgewandelt werden können. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, über einem Austrittsquerschnitt statt einer geschlossenen Lamelle einzelne Strahlen der Flüssigkeit zu erzeugen. Es sei betont, dass dies ohne das Vorhandensein von Bohrungen in einem festen Bauteil geschieht - und damit ohne die Verstopfungsgefahr, die mit der Durchströmung von Bohrungen durch Flüssigkeiten verbunden ist.In the case of liquid flows, these vortices structure the flow field in such a way that individual vortex filaments can be converted into fluid streams separated from each other in the Dean flow at the exit from a flow channel. This gives rise to the possibility of producing individual jets of the liquid over an outlet cross section instead of a closed lamella. It should be emphasized that this is done without the presence of holes in a solid component - and thus without the risk of clogging, which is associated with the passage of bores through liquids.

[0017] Die theoretische Grundlage für die zentrifugale Instabilität in der Dean-Strömung findet sich in W.R. Dean, Proc. R. Soc. Lond. A 121, 402 (1928). Etwas später wurde in W.H. Reid, Proc. R. Soc. Lond. A 244, 186 (1958) der mathematische Formalismus weiterentwickelt, der es ermöglicht, die zentrifugale Instabilität in der Dean-Strömung sowie die resultierenden Wirbelstrukturen zu berechnen. Die genannten Arbeiten beziehen sich explizit nur auf eine Zylinder-Geometrie, jedoch kann beispielsweise eine Anpassung für eine sphärische Geometrie leicht vorgenommen werden.The theoretical basis for the centrifugal instability in the Dean flow is found in W.R. Dean, Proc. R. Soc. Lond. A 121, 402 (1928). Somewhat later, in W.H. Reid, Proc. R. Soc. Lond. A 244, 186 (1958) developed the mathematical formalism that makes it possible to calculate the centrifugal instability in the Dean flow as well as the resulting vortex structures. The work mentioned explicitly refers only to a cylinder geometry, however, for example, an adjustment for a spherical geometry can be easily made.

[0018] In aufwendigen Versuchsreihen wurde herausgefunden, dass es für die Erzeugung sowie Dimensionierung, d.h. Einstellung der Anzahl und Dicke bzw. des Durchmessers, der Flüssigkeitsstrahlen erforderlich ist, die Krümmung der Flächen, entlang derer die Flüssigkeitsströmung im Strömungskanal geführt wird, sowie eine Breite des Austrittsquerschnitts aufeinander abzustimmen. Dabei wurde insbesondere herausgefunden, dass grundsätzlich auch schon dann Flüssigkeitsstrahlen erzeugt werden können, wenn die Flüssigkeitsströmung lediglich entlang einer gekrümmten Fläche geführt wird. Allerdings wird ein schnelleres Anwachsen der zentrifugalen Instabilität - und damit eine bessere Wirbelbildung - beobachtet, wenn die Flüssigkeit zwischen zwei gekrümmten Flächen strömt.In elaborate series of experiments it has been found that it is suitable for the generation and dimensioning, i. E. Adjustment of the number and thickness or the diameter of the liquid jets is required, the curvature of the surfaces along which the liquid flow is guided in the flow channel, as well as a width of the outlet cross-section to match. In particular, it has been found that in principle fluid jets can be produced even if the liquid flow is guided only along a curved surface. However, a faster increase in centrifugal instability - and thus better vortex formation - is observed as the liquid flows between two curved surfaces.

[0019] Durch das Abstimmen der Krümmung der gekrümmten Fläche(n) und der Breite des Austrittsquerschnitts wird sichergestellt, dass die zentrifugale Instabilität nicht nur entsteht, sondern auch soweit anwächst, dass die Flüssigkeit durch den Austrittsquerschnitt in Form von Flüssigkeitsstrahlen durchtritt, wobei die Flüssigkeitsstrahlen entlang von Wirbelachsen der durch die zentrifugale Instabilität verursachten Wirbel verlaufen. Nachdem die Flüssigkeitsstrahlen den Austrittsquerschnitt passiert haben, verlaufen sie selbstverständlich prinzipiell dem Einfluss der Schwerkraft folgend.By adjusting the curvature of the curved surface (s) and the width of the outlet cross-section ensures that the centrifugal instability not only arises, but also increases so far that the liquid passes through the outlet cross-section in the form of liquid jets, the liquid jets along vortex axes run the vortex caused by the centrifugal instability. After the liquid jets have passed the exit cross-section, they naturally follow the influence of gravity, in principle.

[0020] Es zeigt sich, dass die so erzeugten Flüssigkeitsstrahlen sehr regelmäßig ausgebildet und zueinander sehr ähnlich sind. Zudem ist bei der Tröpfchenbildung durch die Plateau-Rayleigh- Instabilität das Spektrum der anwachsenden Störungen, die letztlich zur Ausbildung der Tröpfchen führen, sehr begrenzt. Typischerweise ist der Tröpfchendurchmesser innerhalb des Zweifachen des Durchmessers des Flüssigkeitsstrahls aus dem die Tröpfchen mittels Pla-teau-Rayleigh-lnstabilität hervorgehen. Insgesamt ergibt sich somit eine äußerst homogene bzw. enge (monodisperse) Verteilung der erfindungsgemäß erzeugten Tröpfchen.It turns out that the liquid jets thus generated are very regularly formed and very similar to each other. In addition, droplet formation by plateau Rayleigh instability has a very limited spectrum of increasing perturbations, which ultimately leads to droplet formation. Typically, the droplet diameter is within twice the diameter of the liquid jet from which the droplets emerge by Pla-Teau-Rayleigh instability. Overall, this results in an extremely homogeneous or narrow (monodisperse) distribution of the droplets produced according to the invention.

[0021] Im Vergleich dazu ist das Spektrum anwachsender Störungen z.B. bei Kelvin-Helmholtzscher Instabilität, d.h. insbesondere bei der Zerstäubung von Flüssigkeitsstrahlen durch Einwirkung einer begleitenden Gasströmung, wesentlich - typischerweise um zwei Größenordnungen - breiter. Entsprechend weit ist die Größenverteilung der so erhaltenen Tröpfchen.By comparison, the spectrum of increasing disorders is e.g. in Kelvin-Helmholtz instability, i. especially in the atomization of liquid jets by the action of an accompanying gas flow, substantially wider, typically by two orders of magnitude. The size distribution of the droplets thus obtained is correspondingly wide.

[0022] Daher ist es bei einer Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit vorgesehen, dass die Vorrichtung einen Strömungskanal umfasst, welcher in einem Betriebszustand der Vorrichtung ausschließlich von der Flüssigkeit durchströmbar ist, wobei der Strömungskanal einen Austrittsabschnitt aufweist, welcher Austrittsabschnitt zumindest abschnittsweise von einer ersten Fläche und einer zweiten Fläche begrenzt wird, wobei die Vorrichtung weiters einen Austrittsquerschnitt zum Austreten der Flüssigkeit aus dem Austrittsabschnitt aufweist, wobei eine Randlinie des Austrittsquerschnitts zumindest abschnittsweise in der ersten Fläche und/oder in der zweiten Fläche verläuft und wobei der Austrittsquerschnitt eine Breite aufweist, welche einem geringsten Abstand der ersten Fläche zur zweiten Fläche entspricht, wobei dieser Abstand in einer Schnittebene gemessen ist, in welcher Schnittebene eine Längsachse desTherefore, it is provided in a device for atomizing a liquid that the device comprises a flow channel, which in an operating state of the device can only be flowed through by the liquid, wherein the flow channel has an outlet portion, which outlet portion at least partially from a first surface and a second surface is delimited, the device further having an outlet cross section for exiting the liquid from the outlet section, wherein an edge line of the outlet cross section extends at least partially in the first surface and / or in the second surface and wherein the outlet cross section has a width which corresponds to a minimum distance of the first surface to the second surface, wherein this distance is measured in a sectional plane, in which sectional plane a longitudinal axis of the

Austrittsabschnitts verläuft, wobei weiters die erste Fläche und/oder die zweite Fläche gekrümmt sind/ist, um eine zentrifugale Instabilität der Strömung der Flüssigkeit mit Wirbeln im Austrittsabschnitt zu erzeugen und anwachsen zu lassen, und wobei die Krümmung der ersten Fläche und/oder der zweiten Fläche und die Breite des Austrittsquerschnitts derart aufeinander abgestimmt sind, um ein Austreten der Flüssigkeit durch den Austrittsquerschnitt in Form von entlang von Wirbelachsen der Wirbel verlaufenden Flüssigkeitsstrahlen zu ermöglichen.Further, the exit section is wherein further the first surface and / or the second surface is curved to create and increase centrifugal instability of the fluid flow with vortices in the exit section, and wherein the curvature of the first surface and / or the second surface Surface and the width of the outlet cross-section are coordinated with each other in such a way to allow leakage of the liquid through the outlet cross section in the form of along vertebral axes of the vortex extending fluid jets.

[0023] Um besonders gute Ergebnisse im Hinblick auf die Monodispersität der erzeugten Tröpfchen zu erzielen, ist es bei der Vorrichtung erfindungsgemäß vorgesehen, dass die erste Fläche mindestens einen Krümmungsradius aufweist und/oder dass die zweite Fläche mindestens einen Krümmungsradius aufweist und dass das Verhältnis der Breite des Austrittsquerschnitts zum mindestens einen Krümmungsradius 0,0047 bis 0,1 beträgt.In order to achieve particularly good results in view of the monodispersity of the droplets produced, it is provided in the device according to the invention that the first surface has at least one radius of curvature and / or that the second surface has at least one radius of curvature and that the ratio Width of the outlet cross section for at least one radius of curvature is 0.0047 to 0.1.

[0024] Analog ist es bei einem Verfahren zur Zerstäubung einer Flüssigkeit vorgesehen, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: [0025] - Erzeugen einer Strömung der Flüssigkeit durch einen Strömungskanal, wobei lediglich die Flüssigkeit durch den Strömungskanal strömt und wobei die Flüssigkeit aus einem Austrittsabschnitt des Strömungskanals durch einen Austrittsquerschnitt austritt; [0026] - Bildung von Flüssigkeitsstrahlen am Austrittsquerschnitt durch Erzeugen und Anwach senlassen einer zentrifugalen Instabilität der Strömung der Flüssigkeit im Austrittsabschnitt mit Wirbeln, wobei die Flüssigkeitsstrahlen im Austrittsquerschnitt entlang von Wirbelachsen der Wirbel verlaufen und wobei die Flüssigkeitsstrahlen derart dimensioniert werden, dass die Flüssigkeitsstrahlen in weiterer Folge aufgrund der Plateau-Rayleigh-Instabilität zu Tröpfchen zerfallen.Analogously, it is provided in a method for atomizing a liquid, that the method comprises the following steps: - Generating a flow of the liquid through a flow channel, wherein only the liquid flows through the flow channel and wherein the liquid from a Outlet portion of the flow channel exits through an outlet cross-section; Forming liquid jets at the outlet cross-section by generating and Anwach Senlassen a centrifugal instability of the flow of liquid in the exit section with vortices, wherein the liquid jets in the outlet cross-section along vortex axes of the vortex and wherein the liquid jets are dimensioned such that the liquid jets in further Consequence of plateau Rayleigh instability decay to droplets.

[0027] Die Strömung wird dabei mittels Druckbeaufschlagung erzeugt, z.B. durch eine Druckdifferenz von 3,2 bar gegen Atmosphärendruck. Der Austrittsquerschnitt steht normal auf die Hauptströmungsrichtung und damit auch normal auf die Wirbelachsen.The flow is generated by pressurization, e.g. by a pressure difference of 3.2 bar against atmospheric pressure. The outlet cross section is normal to the main flow direction and thus also normal to the vortex axes.

[0028] Dieses Verfahren funktioniert grundsätzlich nicht nur mit zentrifugalen Instabilitäten einer Dean-Strömung, sondern auch einer Taylor-Strömung oder einer Görtler-Strömung. Die konstruktiv am einfachsten zu realisierende Strömung ist jedoch die Dean-Strömung. Daher ist es bei dem Verfahren vorgesehen, dass für die Erzeugung der zentrifugalen Instabilität die strömende Flüssigkeit im Austrittsabschnitt entlang zumindest einer gekrümmten Fläche geführt wird, welche gekrümmte Fläche den Austrittsabschnitt begrenzt und in welcher eine Randlinie des Austrittsquerschnitts zumindest abschnittsweise verläuft.This method basically works not only with centrifugal instabilities of a Dean flow but also with a Taylor flow or Görtler flow. However, the most easily realized flow is the Dean flow. Therefore, it is provided in the method that for the generation of centrifugal instability, the flowing liquid is guided in the outlet section along at least one curved surface, which curved surface defines the outlet section and in which an edge line of the outlet cross-section extends at least in sections.

[0029] Wie bereits gesagt, können die Anzahl und die Dicke der Flüssigkeitsstrahlen eingestellt werden, indem die Krümmung der Flächen, entlang derer die Flüssigkeitsströmung im Strömungskanal bzw. Austrittsabschnitt geführt wird, sowie die Breite des Austrittsquerschnitts aufeinander abgestimmt werden. Daher ist es bei dem Verfahren erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Dimensionierung der Flüssigkeitsstrahlen durch Abstimmen der Krümmung der mindestens einen Fläche und einer Breite des Austrittsquerschnitts erfolgt, sodass das Verhältnis der Breite des Austrittsquerschnitts zum mindestens einen Krümmungsradius 0,0047 bis 0,1 beträgt.As already stated, the number and the thickness of the liquid jets can be adjusted by the curvature of the surfaces along which the liquid flow in the flow channel or outlet section is guided, and the width of the outlet cross-section are matched. Therefore, it is provided in the method according to the invention that the dimensioning of the liquid jets by adjusting the curvature of the at least one surface and a width of the outlet cross-section takes place, so that the ratio of the width of the outlet cross-section to at least one radius of curvature is 0.0047 to 0.1.

[0030] Optimal lässt sich dies mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erreichen, weshalb es bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen ist, dass eine erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet wird.Optimal, this can be achieved with a device according to the invention, which is why it is provided in a preferred embodiment of the method according to the invention that a device according to the invention is used.

[0031] Um eine für die Erzeugung und für das Anwachsen der zentrifugalen Instabilität geeignete Krümmung der ersten und/oder zweiten Fläche zu garantieren, ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass die erste Fläche mindestens einen Krümmungsradius aufweist und/oder dass die zweite Fläche mindestens einen Krümmungsradius aufweist, wobei der mindestens eine Krümmungsradius 1 mm bis 50 mm, vorzugsweise 4 mm bis 15 mm groß ist. Dabei sind die Randpunkte der hier und im Folgenden angegebenen Intervalle stets als zum jeweiligen Intervall dazu gehörend zu lesen, sofern nicht explizit anderes angegeben ist.In order to guarantee a suitable for generating and for the growth of centrifugal instability curvature of the first and / or second surface, it is provided in a preferred embodiment of the device according to the invention that the first surface has at least one radius of curvature and / or the second surface has at least one radius of curvature, wherein the at least one radius of curvature is 1 mm to 50 mm, preferably 4 mm to 15 mm. In this case, the boundary points of the intervals specified here and below are always to be read as belonging to the respective interval, unless explicitly stated otherwise.

[0032] Obiges bedeutet, dass die Krümmung der ersten und/oder zweiten Fläche auch variieren kann, d.h. die Krümmung kann konstant sein oder variabel. Der angegebene mindestens eine Krümmungsradius bezieht sich klarerweise nur auf jene Teile der ersten bzw. zweiten Fläche, die nicht eben sind.The above means that the curvature of the first and / or second surface may also vary, i. the curvature can be constant or variable. Clearly, the specified at least one radius of curvature only applies to those parts of the first or second surface which are not flat.

[0033] Ebenso ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass die Breite des Austrittsquerschnitts 0,02 mm bis 2 mm, vorzugsweise 0,07 mm bis 0,4 mm groß ist, um die Ausbildung von Flüssigkeitsstrahlen zu begünstigen.Likewise, it is provided in a preferred embodiment of the device according to the invention that the width of the outlet cross-section 0.02 mm to 2 mm, preferably 0.07 mm to 0.4 mm in size to favor the formation of liquid jets.

[0034] Überraschenderweise zeigt es sich, dass bei sich einstellenden Flüssigkeitsstrahlen durch Änderung der Breite des Austrittsquerschnitts direkt die Größe der Tröpfchen, in die die Flüssigkeitsstrahlen in der Folge zerfallen, variiert werden kann. Daher ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass die Breite des Austrittsquerschnitts variiert wird, um einen mittleren Durchmesser der Tröpfchen zu variieren. Entsprechend ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass die Breite des Austrittsquerschnitts verstellbar ist.Surprisingly, it turns out that when adjusting liquid jets by changing the width of the outlet cross-section directly the size of the droplets, in which decay the liquid jets in the sequence, can be varied. Therefore, in a preferred embodiment of the method according to the invention, it is provided that the width of the outlet cross section is varied in order to vary an average diameter of the droplets. Accordingly, it is provided in a preferred embodiment of the device according to the invention that the width of the outlet cross-section is adjustable.

[0035] Die Krümmung der ersten bzw. zweiten Fläche kann so ausgestaltet sein, dass sich die jeweilige Fläche zum Austrittsquerschnitt hin („konvexe Krümmung") oder vom Austrittsquerschnitt weg („konkave Krümmung") wölbt. Dabei sind grundsätzlich sämtliche Kombinationen von Krümmungen für die erste und zweite Fläche, insbesondere im Bereich des Austrittsquerschnitts, möglich: konvex-eben; konkav-eben; eben-konvex; eben-konkav; konvex-konkav; konkav-konvex; konvex-konvex; konkav-konkav. Daher ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass die erste Fläche und/oder die zweite Fläche gegen den Austrittsquerschnitt konvex gekrümmt sind/ist.The curvature of the first or second surface can be designed so that the respective surface to the outlet cross-section ("convex curvature") or the outlet cross-section ("concave curvature") arches. In principle, all combinations of curvatures for the first and second surfaces, in particular in the region of the outlet cross section, are possible: convex-planar; concave-flat; plane-convex; plane-concave; convex-concave; concavo-convex; convex-convex; concavo-concave. Therefore, it is provided in a preferred embodiment of the device according to the invention that the first surface and / or the second surface is convexly curved against the outlet cross section / is.

[0036] Ebenso ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass die zweite Fläche und/oder die erste Fläche gegen den Austrittsquerschnitt konkav gekrümmt sind/ist.Likewise, it is provided in a preferred embodiment of the device according to the invention that the second surface and / or the first surface are concavely curved against the outlet cross-section / is.

[0037] Um eine besonders einfache Realisierung der gekrümmten Flächen zu erreichen, ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass die erste Fläche und/oder die zweite Fläche zumindest abschnittsweise die Form eines Abschnitts eines Zylindermantels aufweist.In order to achieve a particularly simple realization of the curved surfaces, it is provided in a preferred embodiment of the device according to the invention that the first surface and / or the second surface at least partially has the shape of a portion of a cylinder jacket.

[0038] Insbesondere - aber nicht nur - im Fall, dass sowohl die erste als auch die zweite Fläche im Wesentlichen als Abschnitte von Zylindermänteln geformt sind, kann der Austrittsquerschnitt im Wesentlichen eine rechteckige Form aufweisen. Daher ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass der Austrittsquerschnitt rechteckig ist.In particular - but not only - in the case that both the first and the second surface are formed substantially as portions of cylinder jackets, the outlet cross section may have a substantially rectangular shape. Therefore, it is provided in a preferred embodiment of the device according to the invention that the outlet cross-section is rectangular.

[0039] Ebenso ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass die zweite Fläche und/oder die erste Fläche zumindest abschnittsweise die Form eines Abschnitts einer Kugelfläche aufweist. Auf diese Weise lässt sich leicht eine Drehsymmetrie des Strömungskanals bzw. des Austrittsabschnitts erzeugen, was sich wiederum günstig auf die Herstellung auswirkt. Insbesondere - aber nicht nur - im Falle eines drehsymmetrischen Austrittsabschnitts kann der Austrittsabschnitt im Wesentlichen ringförmig sein.Likewise, it is provided in a preferred embodiment of the device according to the invention that the second surface and / or the first surface at least partially has the shape of a portion of a spherical surface. In this way, a rotational symmetry of the flow channel or the outlet section can be easily generated, which in turn has a favorable effect on the production. In particular - but not only - in the case of a rotationally symmetrical outlet section, the outlet section may be substantially annular.

[0040] Es ist auch denkbar, dass aus Konstruktionsgründen ein oder mehrere Stege vorgesehen sind, sodass sich mehrere Austrittsquerschnitte ergeben. Insbesondere können sich mehrere Austrittsquerschnitte ergeben, die jeweils rechteckig sind oder die Form von Ringsegmenten haben.It is also conceivable that one or more webs are provided for reasons of construction, so that there are several outlet cross-sections. In particular, several outlet cross-sections can result, which are each rectangular or have the shape of ring segments.

[0041] Entsprechend ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass der Austrittsquerschnitt ringförmig oder ringsegmentförmig ist.Accordingly, it is provided in a preferred embodiment of the device according to the invention that the outlet cross-section is annular or ring segment-shaped.

[0042] Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es außerdem vorgesehen, dass die Vorrichtung mindestens eine Abrisskante aufweist. Die mindestens eine Abrisskante bewirkt eine Lokalisierung der Abströmung der Flüssigkeit nach Verlassen der Vorrichtung. Das bedeutet, dass keine Flüssigkeit unkontrolliert nach dem Austrittsquerschnitt von der Vorrichtung herunter tropft. Stattdessen finden sich annähernd 100% der die Vorrichtung durch den Austrittsquerschnitt verlassenden Flüssigkeit in den mittels zentrifugaler Instabilität erzeugten Flüssigkeitsstrahlen.In a preferred embodiment of the device according to the invention, it is also provided that the device has at least one tear-off edge. The at least one spoiler edge causes a localization of the outflow of the liquid after leaving the device. This means that no liquid drips uncontrollably down the outlet cross section of the device. Instead, approximately 100% of the fluid leaving the device through the exit section is found in the fluid jets generated by centrifugal instability.

[0043] Um Flüssigkeitsverlust durch Heruntertropfen praktisch vollständig auszuschließen, ist es bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass zwei Abrisskanten vorgesehen sind, die bezogen auf den Austrittsquerschnitt einander gegenüberliegend angeordnet sind. Vorzugsweise schließt dabei die eine Abrisskante an die erste Fläche an und die andere Abrisskante an die zweite Fläche.In order to exclude liquid loss by dripping almost completely, it is provided in a particularly preferred embodiment of the device according to the invention, that two demolition edges are provided, which are arranged opposite to each other with respect to the outlet cross-section. Preferably, one tear-off edge adjoins the first face and the other tear-off edge adjoins the second face.

[0044] Grundsätzlich eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur zur Zerstäubung von Wasser, sondern für unterschiedlichste Flüssigkeiten. Die Erzeugung von Flüssigkeitsstrahlen mittels der zentrifugalen Instabilität kann bei Flüssigkeiten mit unterschiedlicher Viskosität insbesondere dadurch erreicht werden, indem gewisse Reynolds-Zahlen bei der Durchströmung des Strömungskanals bzw. des Austrittsabschnitts sichergestellt werden, wobei die Breite des Austrittsquerschnitts das für die Reynolds-Zahl relevante Längenmaß bildet. Selbstverständlich gilt dies nicht nur für chemisch unterschiedliche Flüssigkeiten, sondern auch für eine Flüssigkeit bei unterschiedlichen Temperaturen und damit unterschiedlichen kinematischen Viskositäten. Typische Werte für die kinematische Viskosität liegen z.B. im Bereich zwischen 10-6 m2/s und 1,38*10-5 m2/s.In principle, the device according to the invention or the method according to the invention is suitable not only for the atomization of water, but for a wide variety of liquids. The generation of liquid jets by means of centrifugal instability can be achieved in liquids with different viscosity, in particular by ensuring certain Reynolds numbers in the flow through the flow channel or the outlet section, wherein the width of the outlet cross-section forms the length measure relevant for the Reynolds number , Of course, this does not only apply to chemically different liquids, but also to a liquid at different temperatures and thus different kinematic viscosities. Typical values for the kinematic viscosity are e.g. in the range between 10-6 m2 / s and 1.38 * 10-5 m2 / s.

[0045] Daher ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass eine volumenstromäquivalente mittlere Geschwindigkeit v der Flüssigkeit, eine Breite l des Austrittsquerschnitts sowie die kinematische Viskosität ν der Flüssigkeit so aufeinander abgestimmt bzw. gewählt werden, dass für die Reynolds-ZahlTherefore, it is provided in a preferred embodiment of the method according to the invention that a volume flow equivalent mean velocity v of the liquid, a width l of the outlet cross-section and the kinematic viscosity ν of the liquid are coordinated or selected so that the Reynolds number

Re = v * l / ν gilt: 10 < Re < 10000, vorzugsweise 50 < Re < 2500, besonders bevorzugt 70 < Re < 2400.Re = v * l / ν holds: 10 <Re <10000, preferably 50 <Re <2500, more preferably 70 <Re <2400.

[0046] Das erfindungsgemäße Verfahren und/oder die erfindungsgemäße Vorrichtung können aufgrund der ausgezeichneten Monodispersität der erzeugten Tröpfchen vielfältig verwendet werden. Mögliche Anwendungen reichen von der Verwendung zur Befeuchtung, Reinigung oder Dekontamination von Produkten über die Verwendung zur Behandlung von Strukturoberflächen bei lithographischen Produktionsverfahren bis zur Verwendung bei Sprühtrocknungsverfahren. Daher ist erfindungsgemäß die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Sprühtrocknung vorgesehen, wobei mittels der Vorrichtung Tröpfchen einer Suspension oder homogenen Lösung erzeugt werden, welche Tröpfchen wiederum vorzugsweise mit Heißluft getrocknet werden, um ein Pulver eines in der Suspension suspendierten oder in der Lösung gelösten Stoffes herzustellen.The inventive method and / or the device according to the invention can be used in many ways due to the excellent monodispersity of the droplets produced. Possible applications range from use for moistening, cleaning or decontamination of products to use for treating structural surfaces in lithographic production processes to use in spray drying processes. Therefore, according to the invention, the use of a device according to the invention for spray drying is provided, wherein droplets of a suspension or homogeneous solution are produced by means of the device, which droplets are dried again preferably with hot air to produce a powder suspended in the suspension or dissolved in the solution.

[0047] Beispielsweise lässt sich auf diese Weise mittels Sprühtrocknung Milchpulver (Trockenmilch) oder löslicher Kaffee (Pulverkaffee) herstellen. Entsprechend ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass es sich bei dem Stoff um ein Lebensmittel handelt.For example, milk powder (dry milk) or soluble coffee (powdered coffee) can be produced in this way by spray drying. Accordingly, it is provided in a preferred embodiment of the inventive use of the device according to the invention that the substance is a foodstuff.

[0048] Selbstverständlich können mittels Sprühtrocknung aber auch Pulver anderer Stoffe, bei denen es sich nicht um Lebensmittel handelt, hergestellt werden. Entsprechend ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass es sich bei dem Stoff um eine Chemikalie handelt. Beispiele für eine solche Chemikalie wären: Polymere, Düngemittel, keramische Ausgangsstoffe, Waschmittel oder Kautschuk.Of course, by spray drying but also powders of other substances, which are not food, are produced. Accordingly, it is provided in a preferred embodiment of the inventive use of the device according to the invention that the substance is a chemical. Examples of such a chemical would be: polymers, fertilizers, ceramic precursors, detergents or rubber.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

[0049] Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnungen sind beispielhaft und sollen den Erfindungsgedanken zwar darlegen, ihn aber keinesfalls einengen oder gar abschließend wiedergeben.The invention will now be explained in more detail with reference to embodiments. The drawings are exemplary and are intended to illustrate the inventive idea, but in no way restrict it or even reproduce it.

[0050] Dabei zeigt: [0051] Fig. 1 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Zerstäubung einerFIG. 1 shows a sectional view of a device according to the invention for atomizing a. FIG

Flüssigkeit [0052] Fig. 2 eine Schnittansicht gemäß der Schnittlinie B-B in Fig. 1, wobei die Pfeile in Fig. 1 die Blickrichtung andeuten [0053] Fig. 3 eine vergrößerte schematische Darstellung eines Austrittsabschnitts eines Strö mungskanals der Vorrichtung aus Fig. 1, wobei eine erste und eine zweite Fläche, die den Austrittsabschnitt begrenzen, gegen einen Austrittsquerschnitt konvex gekrümmt sind [0054] Fig. 4 eine Darstellung wie in Fig. 3, wobei die zweite Fläche auch einen Abschnitt einer Mantelfläche eines Zylinders ausbilden kann [0055] Fig. 5 eine Darstellung wie in Fig. 3, wobei die zweite Fläche gegen den Austrittsquer schnitt konkav gekrümmt ist [0056] Fig. 6 eine Darstellung wie in Fig. 3, wobei die zweite Fläche eben ist [0057] Fig. 7 eine Darstellung wie in Fig. 4, wobei die erste Fläche eben ist [0058] Fig. 8 eine vergrößerte Ansicht des Details A aus Fig. 6 [0059] Fig. 9 eine Darstellung wie in Fig. 2, jedoch mit einem rechteckigen Austrittsquerschnitt2 shows a sectional view according to the section line BB in FIG. 1, wherein the arrows in FIG. 1 indicate the viewing direction FIG. 3 shows an enlarged schematic representation of an outlet section of a flow channel of the device from FIG. 1, FIG. wherein a first and a second surface delimiting the exit portion are convexly curved against an exit cross-section; Fig. 4 is an illustration as in Fig. 3, wherein the second area may also form a portion of a lateral surface of a cylinder Fig. 5 is an illustration as in Fig. 3, wherein the second surface is concavely curved against the exit cross-section Fig. 6 is a view as in Fig. 3, with the second surface being planar Fig. 7 is an illustration in Fig. 4, wherein the first surface is planar; Fig. 8 is an enlarged view of the detail A of Fig. 6; Fig. 9 is a view as in Fig. 2, but with a rectangular outlet cross section

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNGWAYS FOR CARRYING OUT THE INVENTION

[0060] In der Schnittansicht der Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit in einem Betriebszustand der Vorrichtung dargestellt. Die Vorrichtung weist einen Strömungskanal 3 auf, in welchen die Flüssigkeit (in der Zeichnung) von oben eingeleitet wird und im Betriebszustand druckbeaufschlagt nach (in der Zeichnung) unten entlang einer Längsachse 8 als Flüssigkeitsströmung 1 (vgl. auch z.B. Fig. 3) strömt.In the sectional view of Fig. 1, a device according to the invention for atomizing a liquid is shown in an operating state of the device. The device has a flow channel 3 into which the liquid (in the drawing) is introduced from above and in the operating condition pressurized to (in the drawing) flows down along a longitudinal axis 8 as a liquid flow 1 (see also for example Fig. 3).

[0061] Der Strömungskanal 3 weist einen Austrittsabschnitt 13 auf, der durch eine erste Fläche 6 und eine zweite Fläche 7 begrenzt wird. Zwischen den Flächen 6 und 7 ist ein Austrittsquerschnitt 4 angeordnet, durch den die Flüssigkeit austritt. D.h. die Flüssigkeit wird vor ihrem Austritt aus dem Strömungskanal 3 bzw. dem Austrittsabschnitt 13 entlang der Flächen 6 und 7 geführt. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist der Austrittsquerschnitt 4 ein im Wesentlichen ringförmiger Spalt mit einer Breite I. Die Breite I entspricht einem geringsten Abstand zwischen der ersten Fläche 6 und der zweiten Fläche 7, gemessen in einer Schnittebene, in welcher die Längsachse 8 verläuft, d.h. im vorliegenden Ausführungsbeispiel stellt die Schnittebene die Zeichenebne der Fig. 1 dar.The flow channel 3 has an outlet section 13, which is delimited by a first surface 6 and a second surface 7. Between the surfaces 6 and 7, an outlet cross-section 4 is arranged, through which the liquid emerges. That the liquid is guided out of the flow channel 3 or the outlet section 13 along the surfaces 6 and 7 before it exits. In the embodiment of FIG. 1, the outlet cross-section 4 is a substantially annular gap having a width I. The width I corresponds to a smallest distance between the first surface 6 and the second surface 7, measured in a sectional plane in which the longitudinal axis 8 extends, ie in the present embodiment, the sectional plane represents the Zeichebne of Fig. 1.

[0062] Sowohl die erste Fläche 6 als auch die zweite Fläche 7 sind im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 gekrümmt, und zwar gegen den Austrittsquerschnitt 4 konvex gekrümmt, d.h. die Flächen 6 und 7 wölben sich zum Austrittsquerschnitt 4 hin. Die gekrümmten Flächen 6, 7 bewirken, dass sich eine zentrifugale Instabilität in der Flüssigkeitsströmung 1 im Austrittsabschnitt 13 ausbildet, wobei hierdurch Wirbel erzeugt werden, deren Drehachsen/Wirbelachsen 2 parallel zu den gekrümmten Flächen 6, 7 verlaufen. Dabei sind die Krümmungen der Flächen 6, 7 und die Breite I (vgl. Fig. 8) des Austrittsquerschnitts 4 so ausgelegt bzw. aufeinander abgestimmt, dass sich die zentrifugale Instabilität nicht nur ausbildet, sondern auch anwachsen kann.Both the first surface 6 and the second surface 7 are curved in the embodiment of FIG. 1, namely convexly curved against the outlet section 4, i. E. the surfaces 6 and 7 bulge towards the outlet section 4. The curved surfaces 6, 7 cause a centrifugal instability in the liquid flow 1 in the outlet section 13 is formed, thereby generating vortices whose axes of rotation / vortex axes 2 parallel to the curved surfaces 6, 7 extend. In this case, the curvatures of the surfaces 6, 7 and the width I (see Fig. 8) of the outlet cross-section 4 are designed or matched to one another such that the centrifugal instability not only forms, but can also increase.

[0063] Dies wiederum hat eine Strukturierung der Flüssigkeitsströmung 1 durch die Wirbel bzw. Wirbelfäden zur Folge - und zwar so, dass die Flüssigkeit durch den Austrittsquerschnitt 4 nicht als Lamelle, sondern in einzelnen Flüssigkeitsstrahlen 11 austritt. Dabei ergibt sich jeder Flüssigkeitsstrahl 11 aus einem Wirbelfaden oder durch Verschmelzen mehrerer Wirbelfäden. D.h. es werden zur Herstellung der Flüssigkeitsstrahlen 11 weder extra Bohrungen noch ein weiteres Fluid benötigt - lediglich die Flüssigkeit strömt durch den Strömungskanal 3 bzw. den Austrittsabschnitt 13 und tritt durch den Austrittsquerschnitt 4 aus.This in turn has a structuring of the liquid flow 1 through the vortex or vortex threads result - in such a way that the liquid exits through the outlet cross-section 4 not as a lamella, but in individual liquid jets 11. Each liquid jet 11 results from a vortex filament or by merging several vortex filaments. That Neither extra bores nor another fluid are required for producing the liquid jets 11 - only the liquid flows through the flow channel 3 or the outlet section 13 and exits through the outlet cross-section 4.

[0064] Durch die Abstimmung der Krümmung der Flächen 6, 7 und der Breite I aufeinander wird nicht nur sichergestellt, dass sich beim Austritt/Durchtritt aus/durch dem/den Austrittsquerschnitt 4 Flüssigkeitsstrahlen 11 bilden, sondern die Flüssigkeitsstrahlen 11 können gezielt dimensioniert werden. D.h. es lassen sich Anzahl und Dicke bzw. Durchmesser der Flüssigkeitsstrahlen 11 einstellen, wobei die Flüssigkeitsstrahlen 11 zueinander äußerst ähnlich und regelmäßig ausgebildet sind.By coordinating the curvature of the surfaces 6, 7 and the width I succession not only ensures that form at the outlet / passage from / through the / outlet cross-section 4 liquid jets 11, but the liquid jets 11 can be targeted dimensioned. That It is possible to set the number and thickness or diameter of the liquid jets 11, wherein the liquid jets 11 are extremely similar to each other and formed regularly.

[0065] Die Flüssigkeitsstrahlen 11 können nun gezielt so dimensioniert werden, dass sie in weiterer Folge aufgrund der Plateau-Rayleigh-Instabilität zu Tröpfchen 12 zerfallen. Dabei entstehen aufgrund von Unregelmäßigkeiten in der Strömung der Flüssigkeitsstrahlen 11, die aus der Flüssigkeitszufuhr stammen oder aus der Umgebungsluft übertragen werden können, Störungen bzw. Verformungen der Flüssigkeitsstrahlen 11, die anwachsen und zu einem Abschnüren der Flüssigkeitsstrahlen 11 und damit zur Bildung der Tröpfchen 12 führen. Aufgrund der äußerst regelmäßigen Ausbildung der Flüssigkeitsstrahlen 11 ist das Spektrum der anwachsenden Störungen sehr begrenzt, sodass sich eine sehr homogene, im Wesentlichen monodisperse Größenverteilung der Tröpfchen 12 ergibt.The liquid jets 11 can now be specifically dimensioned so that they subsequently decay into droplets 12 due to the plateau Rayleigh instability. In this case, due to irregularities in the flow of the liquid jets 11, which originate from the liquid supply or can be transmitted from the ambient air, disturbances or deformations of the liquid jets 11, which grow and lead to constriction of the liquid jets 11 and thus to the formation of the droplets 12 , Due to the extremely regular formation of the liquid jets 11, the spectrum of the growing disturbances is very limited, so that a very homogeneous, substantially monodisperse size distribution of the droplets 12 results.

[0066] Fig. 2 illustriert die Bildung dieser Tröpfchen 12 in einer Schnittansicht gemäß der Schnittlinie B-B in Fig. 1, wobei die Pfeile die Blickrichtung andeuten. Gut erkennbar ist die regelmäßige, sternförmige Anordnung der aufgrund der zentrifugalen Instabilität ausgebildeten Flüssigkeitsstrahlen 11.Fig. 2 illustrates the formation of these droplets 12 in a sectional view along the section line B-B in Fig. 1, wherein the arrows indicate the viewing direction. Clearly visible is the regular, star-shaped arrangement of the liquid jets 11 formed on account of the centrifugal instability.

[0067] Darüberhinaus ist in Fig. 2 eine Abrisskante 9 besser als in Fig. 1 erkennbar. Diese Abrisskante 9 schließt an die zweite Fläche 7 an und bewirkt eine Lokalisierung der Abströmung der Flüssigkeit nach Verlassen der Vorrichtung. Das bedeutet, dass keine Flüssigkeit unkontrolliert nach dem Austrittsquerschnitt 4 von der Vorrichtung herunter tropft.Moreover, in Fig. 2, a trailing edge 9 better than in Fig. 1 can be seen. This trailing edge 9 connects to the second surface 7 and causes a localization of the outflow of the liquid after leaving the device. This means that no liquid drips uncontrollably down the outlet cross-section 4 of the device.

[0068] Fig. 3 zeigt eine vergrößerte schematische Darstellung eines Austrittsabschnitts 13, wie er in der Vorrichtung der Fig. 1 vorkommt. Wie bereits festgehalten sind sowohl die erste Fläche 6 als auch die zweite Fläche 7 konvex gegen den Austrittsquerschnitt 4 gekrümmt. Dabei weist die erste Fläche 6 einen Krümmungsradius RK auf und die zweite Fläche 7, die die Oberfläche einer Kugelkalotte bildet, einen Krümmungsradius R|. Sowohl die erste Fläche 6 als auch die zweite Fläche 7 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel drehsymmetrisch rund um die Längsachse 8. Eine Wirbelachse 2 eines Wirbels, der durch die sich ergebende zentrifugale Instabilität gebildet wird, ist durch eine Strich-Punkt-Punkt-Linie dargestellt. Die Wirbelachse 2 verläuft dabei parallel zu einer Hauptströmungsrichtung 10, die mittels eines Pfeils für die Flüssigkeitsströmung 1 am Ort des Austrittsquerschnitts 4 dargestellt ist.FIG. 3 shows an enlarged schematic representation of an exit section 13, as occurs in the device of FIG. 1. As already stated, both the first surface 6 and the second surface 7 are curved convexly relative to the outlet cross-section 4. In this case, the first surface 6 has a radius of curvature RK and the second surface 7, which forms the surface of a spherical cap, has a radius of curvature R |. Both the first surface 6 and the second surface 7 are in the embodiment shown rotationally symmetrical about the longitudinal axis 8. A vortex axis 2 of a vortex, which is formed by the resulting centrifugal instability is represented by a dash-dot-dot line. The vortex axis 2 runs parallel to a main flow direction 10, which is represented by an arrow for the liquid flow 1 at the location of the outlet cross section 4.

[0069] Typische Abmessungen der ersten Fläche 6 und zweiten Fläche 7 sind so, dass sich ein Austrittsradius 14, der einen größten radialen Abstand des Austrittsquerschnitts 4 von der Längsachse 8 darstellt, von 1 mm bis 20 mm, vorzugsweise 3 mm bis 15 mm, besonders bevorzugt 5 mm bis 6 mm, insbesondere ca. 5,5 mm ergibt. Krümmungsradien RK und R, betragen am Austrittsquerschnitt 4 typischerweise 1 mm bis 50 mm, vorzugsweise 4 mm bis 15 mm. Die Breite I des Austrittsquerschnitts 4 beträgt typischerweise 0,02 mm bis 2 mm, vorzugsweise 0,07 mm bis 0,4 mm. Druckdifferenzen zur Einstellung der Flüssigkeitsströmung 1 durch den Strömungskanal 3 bzw. den Austrittsabschnitt 13 betragen gegen Atmosphärendruck typischerweise 1 bar bis 5 bar, vorzugsweise 2,5 bar bis 3,5 bar, insbesondere 3,2 bar. Grundsätzlich ist die erfindungsgemäße Vorrichtung / das erfindungsgemäße Verfahren auch für weit höhere Drücke geeignet, z.B. bis zu 100 bar gegen Atmosphärendruck.Typical dimensions of the first surface 6 and the second surface 7 are such that an outlet radius 14, which represents a largest radial distance of the outlet cross-section 4 from the longitudinal axis 8, from 1 mm to 20 mm, preferably 3 mm to 15 mm, more preferably 5 mm to 6 mm, in particular about 5.5 mm results. Curvature radii RK and R, amount at the outlet section 4 is typically 1 mm to 50 mm, preferably 4 mm to 15 mm. The width I of the outlet cross section 4 is typically 0.02 mm to 2 mm, preferably 0.07 mm to 0.4 mm. Pressure differences for adjusting the liquid flow 1 through the flow channel 3 and the outlet section 13 are at atmospheric pressure typically 1 bar to 5 bar, preferably 2.5 bar to 3.5 bar, in particular 3.2 bar. In principle, the device / method according to the invention is also suitable for far higher pressures, e.g. up to 100 bar against atmospheric pressure.

[0070] Beispielsweise ergibt sich für Wasser bei 20°C als zu zerstäubende Flüssigkeit in einem Austrittsabschnitt 13 gemäß Fig. 3 bei einer Druckdifferenz von 3,2 bar gegen Atmosphärendruck, einer Breite I des Austrittsquerschnitts 4 von 0,1 mm, einem Austrittsradius 14 von 11,75 mm, Krümmungsradien RK, Ri von jeweils 12,5 mm ein Massenstrom von 170 kg/h. D.h. trotz einer relativ geringen Druckdifferenz können relativ hohe Flüssigkeitsmassenströme der prozesstechnisch interessanten Größenordnung von 100 kg/h erzeugt werden. Die durch die zentrifugale Instabilität erzeugten Flüssigkeitsstrahlen 11 weisen am Austrittsquerschnitt 4 einen Durchmesser bzw. eine Dicke auf, die der Breite I des Austrittsquerschnitts 4 entspricht. DurchFor example, for water at 20 ° C as the liquid to be atomized in an outlet section 13 shown in FIG. 3 at a pressure difference of 3.2 bar against atmospheric pressure, a width I of the outlet section 4 of 0.1 mm, an outlet radius 14th of 11.75 mm, radii of curvature RK, Ri of 12.5 mm each, a mass flow of 170 kg / h. That Despite a relatively small pressure difference, relatively high liquid mass flows of the order of 100 kg / h of interest in terms of process technology can be produced. The liquid jets 11 produced by the centrifugal instability have at the outlet cross-section 4 a diameter or a thickness which corresponds to the width I of the outlet cross-section 4. By

Verschmelzen beim Strömen auf der zweiten Fläche 7, vorzugsweise bis zur Abrisskante 9, vereinigen sich typischerweise zwei bis vier Flüssigkeitsstrahlen 11.Melting when flowing on the second surface 7, preferably up to the trailing edge 9, typically combine two to four liquid jets 11th

[0071] Hierdurch vergrößert sich der Durchmesser bzw. die Dicke der Flüssigkeitsstrahlen auf das 1,4-Fache bis 3-Fache des Werts am Austrittsquerschnitt 4. Die schließlich erhaltenen Tröpfchen 12 weisen einen mittleren Durchmesser auf, der dem Doppelten der mittleren Dicke der Flüssigkeitsstrahlen 11 am Ende der zweiten Fläche 7 bzw. an der Abrisskante 9 entspricht. Generell schwankt der Durchmesser der Tröpfchen 12 in den mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugten Sprays um ±20 % bis ±40 % um den jeweiligen mittleren Durchmesser. Dabei wird ein für die Prozessindustrie höchst interessanter Durchsatz gewährleistet, der z.B. die Verwendung zur Befeuchtung, Reinigung oder Dekontamination von Produkten, die Verwendung zur Behandlung von Strukturoberflächen bei lithographischen Produktionsverfahren oder die Verwendung bei Sprühtrocknungsverfahren ermöglicht. Insbesondere bei lithographischen Produktionsverfahren kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung / ein erfindungsgemäßes Verfahren z.B. zur Reinigung der Oberflächen oder zur Behandlung der Oberflächen mit ätzenden Flüssigkeiten verwendet werden bzw. zur Aufbringung von Ätzmitteln, Spülflüssigkeiten oder Photoresist.In this way, the diameter or the thickness of the liquid jets increases to 1.4 times to 3 times the value at the outlet cross section 4. The finally obtained droplets 12 have an average diameter which is twice the average thickness of the liquid jets 11 at the end of the second surface 7 and at the trailing edge 9 corresponds. In general, the diameter of the droplets 12 in the sprays produced by the device according to the invention varies by ± 20% to ± 40% about the respective mean diameter. This ensures a highly interesting throughput for the process industry, e.g. the use for moistening, cleaning or decontaminating products which allows use for the treatment of structural surfaces in lithographic production processes or for use in spray drying processes. In particular, in lithographic production processes, a device according to the invention / a method according to the invention can e.g. be used for cleaning the surfaces or for the treatment of surfaces with corrosive liquids or for the application of etchants, rinsing liquids or photoresist.

[0072] Schließlich sind in Fig. 3 zwei Abrisskanten 9 explizit eingezeichnet, die bezogen auf den Austrittsquerschnitt 4 einander gegenüberliegend angeordnet sind und an die erste Fläche 6 bzw. die zweite Fläche 7 anschließen. Indem zwei Abrisskanten 9 vorgesehen sind, wird ein Flüssigkeitsverlust durch Heruntertropfen praktisch vollständig ausgeschlossen.Finally, two demolition edges 9 are explicitly drawn in Fig. 3, which are arranged opposite to each other with respect to the outlet cross-section 4 and connect to the first surface 6 and the second surface 7. By two tear-off edges 9 are provided, a loss of fluid due to dripping down is almost completely excluded.

[0073] Selbstverständlich ist die Geometrie der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht nur auf jene der Fig. 3 beschränkt. Fig. 4 zeigt ebenfalls eine Ausführungsvariante mit konvexen Flächen 6, 7, wobei die zweite Fläche 7 insbesondere ein Abschnitt einer Kugeloberfläche sein kann. In letzterem Fall können die Flächen 6, 7 drehsymmetrisch um die Längsachse 8 ausgebildet sein. Es ist jedoch auch möglich, dass die zweite Fläche 7 - und vorzugsweise auch die erste Fläche 6 - jeweils einen Abschnitt einer Mantelfläche eines Zylinders ausbilden, wobei die Drehachse des jeweiligen Zylinders normal auf die Zeichenebene der Fig. 4 steht. In diesem Fall liegt keine Drehsymmetrie um die Längsachse 8 vor, und der Austrittsquerschnitt 4 ist vorzugsweise rechteckig. Die möglichen Wertebereiche für die Krümmungsradien RK, R| und die Breite l entsprechen dabei den oben im Zusammenhang mit Fig. 3 angegebenen.Of course, the geometry of the device according to the invention is not limited to those of FIG. Fig. 4 also shows a variant with convex surfaces 6, 7, wherein the second surface 7 may be in particular a portion of a spherical surface. In the latter case, the surfaces 6, 7 can be rotationally symmetrical about the longitudinal axis 8. However, it is also possible that the second surface 7 - and preferably also the first surface 6 - each form a portion of a lateral surface of a cylinder, wherein the axis of rotation of the respective cylinder is normal to the plane of Fig. 4. In this case, there is no rotational symmetry about the longitudinal axis 8, and the outlet cross-section 4 is preferably rectangular. The possible value ranges for the radii of curvature RK, R | and the width l correspond to those given above in connection with FIG. 3.

[0074] Es versteht sich, dass auch im Fall eines rechteckigen Austrittsquerschnitts 4 die Tröpfchenbildung wie oben anhand von Fig. 1 beschrieben funktioniert. Der Vollständigkeit halber wird in Fig. 9 die Bildung der Tröpfchen 12 in einer Schnittansicht analog zu Fig. 2 illustriert, wobei Zylindergeometrie der Flächen 6, 7 vorliegt. Im gezeigten Fall tritt die Flüssigkeit durch zwei rechteckige Austrittsquerschnitte 4 aus, die bezogen auf die Längsachse 8 einander gegenüber liegen (nicht dargestellt). Beim Austritt der Flüssigkeit ergeben sich aufgrund der zentrifugalen Instabilität statt zwei Flüssigkeitslamellen Flüssigkeitsstrahlen 11 in einer regelmäßigen Anordnung. Abrisskanten 9 verhindern dabei Flüssigkeitsverlust durch Heruntertropfen.It is understood that even in the case of a rectangular outlet cross-section 4, the droplet formation as described above with reference to FIG. 1 works. For the sake of completeness, the formation of the droplets 12 in a sectional view analogous to FIG. 2 is illustrated in FIG. 9, the cylinder geometry of the surfaces 6, 7 being present. In the case shown, the liquid exits through two rectangular outlet cross-sections 4, which lie opposite each other with respect to the longitudinal axis 8 (not shown). When the liquid exits, due to the centrifugal instability instead of two liquid fins liquid jets 11 in a regular arrangement. Abrisskanten 9 prevent fluid loss by dripping.

[0075] Darüberhinaus sind auch Konfigurationen möglich, bei welchen eine der beiden Flächen 6, 7 oder beide Flächen 6, 7 konkav statt konvex sein können. Fig. 5 zeigt eine Variante, bei welcher die erste Fläche 6 gegen den Austrittsquerschnitt 4 konvex gekrümmt ist mit Krümmungsradius RK. Die zweite Fläche 7 ist in diesem Fall gegen den Austrittsquerschnitt 4 konkav gekrümmt mit einem Krümmungsradius RA. Es besteht die Möglichkeit einer drehsymmetrischen Anordnung um die Längsachse 8, sodass sich ein im Wesentlichen ringförmiger Austrittsquerschnitt 4 ergibt. Alternativ ist es aber auch möglich, dass die Flächen 6, 7 in Fig. 5 jeweils Abschnitte der Mantelfläche eines Zylinders ausbilden, dessen Drehachse normal auf die Zeichenebene steht, sodass sich ein im Wesentlichen rechteckiger Austrittsquerschnitt 4 ergibt. Die möglichen Wertebereiche für die Krümmungsradien RK, RA entsprechen dabei den oben im Zusammenhang mit Fig. 3 angegebenen für die Krümmungsradien RK, RI. Die möglichen Wertebereiche für die Breite l entsprechen dabei den oben im Zusammenhang mit Fig. 3 angegebenen.In addition, configurations are possible in which one of the two surfaces 6, 7 or both surfaces 6, 7 can be concave instead of convex. Fig. 5 shows a variant in which the first surface 6 is convexly curved against the outlet cross-section 4 with radius of curvature RK. The second surface 7 is concavely curved in this case against the outlet cross-section 4 with a radius of curvature RA. There is the possibility of a rotationally symmetrical arrangement about the longitudinal axis 8, so that a substantially annular outlet cross-section 4 results. Alternatively, however, it is also possible for the surfaces 6, 7 in FIG. 5 to each form sections of the lateral surface of a cylinder whose axis of rotation is normal to the plane of the drawing, so that a substantially rectangular outlet cross-section 4 results. The possible value ranges for the radii of curvature RK, RA correspond to those given above in connection with FIG. 3 for the radii of curvature RK, RI. The possible value ranges for the width l correspond to those given above in connection with FIG. 3.

[0076] Weiterhin sind auch in Fig. 5 zwei Abrisskanten 9 explizit eingezeichnet, die bezogen auf den Austrittsquerschnitt 4 einander gegenüberliegend angeordnet sind und an die erste Fläche 6 bzw. die zweite Fläche 7 anschließen. Wiederum wird mittels der zwei Abrisskanten 9 ein Flüssigkeitsverlust durch Heruntertropfen praktisch vollständig ausgeschlossen.Furthermore, two demolition edges 9 are explicitly drawn in Fig. 5, which are arranged opposite to each other with respect to the outlet cross-section 4 and connect to the first surface 6 and the second surface 7. Again, by means of the two separation edges 9 a loss of fluid due to dripping down is virtually completely excluded.

[0077] Schließlich haben aufwendige Versuche gezeigt, dass eine zentrifugale Instabilität, die zur Aufteilung der Flüssigkeit in Flüssigkeitsstrahlen 11 und in der Folge zu Tröpfchen 12 führt, auch dann erzeugt werden kann, wenn nur eine der beiden Flächen 6, 7 im Austrittsabschnitt 13 gekrümmt ist. Fig. 6 illustriert eine Ausführungsform, bei welcher nur die erste Fläche 6 gekrümmt ist und die zweite Fläche 7 eben ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die erste Fläche 6 dabei konvex gegen den Austrittsquerschnitt 4 gekrümmt.Finally, elaborate experiments have shown that a centrifugal instability, which leads to the division of the liquid in liquid jets 11 and in the sequence to droplets 12, can also be generated if only one of the two surfaces 6, 7 curved in the outlet section 13 is. Fig. 6 illustrates an embodiment in which only the first surface 6 is curved and the second surface 7 is planar. In the embodiment shown, the first surface 6 is curved convexly against the outlet cross-section 4.

[0078] Fig. 7 hingegen zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem nur die zweite Fläche 7 gekrümmt ist und die erste Fläche 6 eben ist. Die zweite Fläche 7 ist dabei gegen den Austrittsquerschnitt 4 konvex gekrümmt.Fig. 7, however, shows an embodiment in which only the second surface 7 is curved and the first surface 6 is flat. The second surface 7 is convexly curved against the outlet cross-section 4.

[0079] Die Ausführungsvarianten gemäß Fig. 6 und Fig. 7 können drehsymmetrisch um die Längsachse 8 ausgebildet sein mit einem im Wesentlichen ringförmigen Austrittsquerschnitt 4.The embodiment variants according to FIG. 6 and FIG. 7 can be rotationally symmetrical about the longitudinal axis 8 with a substantially annular outlet cross-section 4.

[0080] Alternativ können die Ausführungsvarianten gemäß Fig. 6 und Fig. 7 auch nicht drehsymmetrisch um die Längsachse 8 ausgebildet sein, wobei jeweils die gekrümmte Fläche 6 bzw. 7 als Abschnitt eines Mantels eines Zylinders ausgebildet ist, dessen Drehachse normal auf die Zeichenebene der Fig. 6 bzw. Fig. 7 steht. Die möglichen Wertebereiche für die Krümmungsradien RK, R| und die Breite l entsprechen dabei den oben im Zusammenhang mit Fig. 3 angegebenen. Im Unterschied zu Ausführungsformen, bei denen beide Flächen 6, 7 gekrümmt sind, wächst die zentrifugale Instabilität jedoch weniger schnell an, sodass die Tröpfchenbildung etwas weniger gut, d.h. weniger monodispers erfolgt. Andererseits können Ausführungsformen mit nur einer gekrümmten Fläche 6 oder 7, wie sie in Fig. 6 und Fig. 7 beispielhaft gezeigt sind, Vorteile hinsichtlich einer besonders einfachen und damit kostengünstigen Herstellung bieten.Alternatively, the embodiments according to FIG. 6 and FIG. 7 may also not be rotationally symmetrical about the longitudinal axis 8, whereby the curved surface 6 or 7 is formed as a section of a jacket of a cylinder whose axis of rotation is normal to the plane of the drawing Fig. 6 and Fig. 7 is. The possible value ranges for the radii of curvature RK, R | and the width l correspond to those given above in connection with FIG. 3. However, unlike embodiments in which both surfaces 6, 7 are curved, the centrifugal instability increases less rapidly, so that the droplet formation is somewhat less good, i. less monodisperse occurs. On the other hand, embodiments with only one curved surface 6 or 7, as shown by way of example in FIGS. 6 and 7, can offer advantages with regard to a particularly simple and thus cost-effective production.

[0081] Fig. 8 zeigt in vergrößerter Darstellung das Detail A aus Fig. 6, um den Austrittsquerschnitt 4 deutlich zu illustrieren. Der Austrittsquerschnitt 4 ist dabei als punktierte Linie angedeutet und wird zumindest abschnittsweise von Randlinien 5 berandet, welche Randlinien 5 normal auf die Schnittebene bzw. Zeichenebene der Fig. 8 stehen. Im Falle einer drehsymmetrischen Ausbildung mit der Längsachse 8 als Drehachse ist der Austrittsquerschnitt 4 im Wesentlichen ringförmig und ausschließlich von den Randlinien 5 begrenzt. Die Randlinien 5 verlaufen in der ersten Fläche 6 und der zweiten Fläche 7. Die Hauptströmungsrichtung 10 der Flüssigkeit bzw. der Flüssigkeitsstrahlen 11 beim Durchtritt durch den Austrittsquerschnitt 4 steht normal auf den Austrittsquerschnitt 4. Dies gilt völlig analog auch bei sämtlichen anderen Ausführungsbeispielen, weshalb aus Gründen der Knappheit auf weitere entsprechende vergrößerte Ansichten verzichtet wird.Fig. 8 shows an enlarged view of the detail A of Fig. 6 to illustrate the outlet section 4 clearly. The outlet cross-section 4 is indicated here as a dotted line and is at least partially bounded by edge lines 5, which edge lines 5 are normal to the sectional plane or plane of FIG. 8. In the case of a rotationally symmetrical design with the longitudinal axis 8 as the axis of rotation of the outlet cross-section 4 is substantially annular and limited exclusively by the edge lines 5. The marginal lines 5 run in the first surface 6 and the second surface 7. The main flow direction 10 of the liquid or the liquid jets 11 when passing through the outlet cross-section 4 is normal to the outlet cross-section 4. This applies completely analogously in all other embodiments, which is why For reasons of scarcity, further corresponding enlarged views are dispensed with.

[0082] Neben den Werten für die Krümmungsradien RK, RI, RA und die Breite l selbst kann auch das Verhältnis der Breite l zu mindestens einem der Krümmungsradien RK, RI, RA herangezogen werden, um ein Funktionieren der erfindungsgemäßen Zerstäubung sicherzustellen. Konkret werden gute Ergebnisse mit Tröpfchen mit einer sehr monodispersen Größenverteilung erzielt, wenn das Verhältnis der Breite l des Austrittsquerschnitts 4 zu mindestens einem der Krümmungsradien RK, RI, RA 0,0047 bis 0,1 beträgt.In addition to the values for the radii of curvature RK, RI, RA and the width l itself, the ratio of the width l to at least one of the radii of curvature RK, RI, RA can also be used in order to ensure functioning of the atomization according to the invention. Specifically, good results are achieved with droplets having a very monodisperse size distribution when the ratio of the width l of the exit section 4 to at least one of the radii of curvature RK, RI, RA is 0.0047 to 0.1.

[0083] Grundsätzlich eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur zur Zerstäubung von Wasser, sondern für unterschiedlichste Flüssigkeiten. Die Erzeugung von Flüssigkeitsstrahlen 11 mittels der zentrifugalen Instabilität kann bei Flüssigkeiten mit unterschiedlicher Viskosität insbesondere dadurch erreicht werden, indem gewisse Reynolds-Zahlen Re bei der Durchströmung des Strömungskanals 3 bzw. des Austrittsabschnitts 13 sichergestellt werden, wobei die Breite l des Austrittsquerschnitts 4 das für die Reynolds-Zahl Re relevante Längenmaß bildet. Selbstverständlich gilt dies nicht nur für chemisch unterschiedliche Flüssigkeiten, sondern auch für eine Flüssigkeit bei unterschiedlichen Temperaturen und damit unterschiedlichen kinematischen Viskositäten ν bzw. für eine Flüssigkeit bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten v. Typische Werte für die kine- matische Viskosität liegen z.B. im Bereich zwischen 10"6 m2/s und 1,38*10"5 m2/s. Mit Re = v *l / ν ergeben sich bei Breiten l zwischen 0,07 mm und 0,32 mm typische Werte für Re zwischen 70 und 2400, wobei als Strömungsgeschwindigkeit v die volumenstromäquivalente mittlere Geschwindigkeit der Flüssigkeit herangezogen werden kann. Typische Strömungsgeschwindigkeiten v liegen zwischen rund 0,219 m/s und 35 m/s.In principle, the device according to the invention or the method according to the invention is suitable not only for the atomization of water but for a very wide variety of liquids. The generation of liquid jets 11 by means of centrifugal instability can be achieved in liquids with different viscosity in particular by certain Reynolds numbers Re are ensured in the flow through the flow channel 3 and the outlet portion 13, wherein the width l of the outlet cross-section 4 that for the Reynolds number Re makes relevant length measurement. Of course, this applies not only to chemically different liquids, but also to a liquid at different temperatures and thus different kinematic viscosities ν or for a liquid at different flow velocities v. Typical values for the kinetic viscosity are e.g. in the range between 10 "6 m2 / s and 1.38 * 10" 5 m2 / s. With Re = v * l / ν, typical values for Re between 70 and 2400 result for widths l between 0.07 mm and 0.32 mm, whereby the flow rate v can be the volume-flow-equivalent mean velocity of the liquid. Typical flow velocities v are between about 0.219 m / s and 35 m / s.

[0084] Beispielsweise ergeben sich im Falle von Wasser bei 20°C, applizierten Drücken gegen Atmosphärendruck von 0,1 bar bis 4,5 bar, einer Zerstäubergeometrie, die jener aus Fig. 3 entspricht (RK = 15 mm; RI = 9 mm), und Austrittradien 14 von 11 mm bis 12 mm Strömungsgeschwindigkeiten v zwischen 3,8 m/s und 5,4 m/s.For example, in the case of water at 20 ° C, applied pressures against atmospheric pressure of 0.1 bar to 4.5 bar, a Zerstäubergeometrie that corresponds to that of Fig. 3 (RK = 15 mm, RI = 9 mm ), and exit radii 14 of 11 mm to 12 mm flow velocities v between 3.8 m / s and 5.4 m / s.

[0085] Schließlich zeigt es sich, dass sich durch Variation der Breite l der Tröpfchendurchmesser variieren lässt. Konkret können z.B. für Wasser bei 20°C bei einer Geometrie gemäß Fig. 3 (RK = 15 mm; RI = 9 mm), applizierten Drücken gegen Atmosphärendruck von 3,9 bar bis 4,1 bar, und Austrittradien 14 von 11 mm bis 12,3 mm, mittlere Tröpfchengrößen von 0,27 mm bis 0,37 mm erzielt werden, indem die Breite l zwischen 0,073 mm und 0,083 mm variiert wird.Finally, it turns out that the droplet diameter can be varied by varying the width l. Concretely, e.g. for water at 20 ° C with a geometry according to Fig. 3 (RK = 15 mm, RI = 9 mm), applied pressures against atmospheric pressure of 3.9 bar to 4.1 bar, and outlet radii 14 of 11 mm to 12.3 mm, average droplet sizes of 0.27 mm to 0.37 mm can be achieved by varying the width l between 0.073 mm and 0.083 mm.

[0086] Daher ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass die Breite l verstellbar ist. Beispielsweise kann bei einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 bzw. mit einer Geometrie gemäß Fig. 3 die Breite l verstellt werden, indem die zweite Fläche 7 gegenüber der ersten Fläche 6 entlang der Längsachse 8 verschoben wird. D.h. die zweite Fläche 7 ist entsprechend verschiebbar ausgeführt.Therefore, it is provided in a preferred embodiment of the device according to the invention that the width l is adjustable. For example, in a device according to FIG. 1 or with a geometry according to FIG. 3, the width l can be adjusted by displacing the second surface 7 relative to the first surface 6 along the longitudinal axis 8. That the second surface 7 is designed to be displaced accordingly.

BEZUGSZEICHENLISTE 1 Flüssigkeitsströmung 2 Wirbelachse 3 Strömungskanal 4 Austrittsquerschnitt 5 Randlinie des Austrittsquerschnitts 6 Erste einen Austrittsabschnitt des Strömungskanals begrenzende Fläche, in welcher die Randlinie des Austrittsquerschnitts zumindest abschnittsweise verläuft 7 Zweite den Austrittsabschnitt begrenzende Fläche, in welcher die Randlinie des Austrittsquerschnitts zumindest abschnittsweise verläuft 8 Längsachse 9 Abrisskante 10 Hauptströmungsrichtung 11 Flüssigkeitsstrahl 12 Flüssigkeitströpfchen 13 Austrittsabschnitt des Strömungskanals 14 Austrittsradius l Breite des Austrittsquerschnitts RK Krümmungsradius der ersten Fläche RI Krümmungsradius der zweiten Fläche bei gegen den Austrittsquerschnitt konvexerReference number list 1 Fluid flow 2 Swirl axis 3 Flow channel 4 Outlet cross section 5 Edge line of the outlet cross section 6 First surface defining an outlet section of the flow channel, in which the edge line of the outlet cross section extends at least in sections 7 Second surface delimiting the outlet section, in which the edge line of the outlet cross section runs at least in sections 8 Longitudinal axis 9 Tear-off edge 10 main flow direction 11 liquid jet 12 liquid droplet 13 outlet section of the flow channel 14 outlet radius l width of the outlet cross section RK radius of curvature of the first surface RI radius of curvature of the second surface with convex against the outlet cross section

Krümmung RA Krümmungsradius der zweiten Fläche bei gegen den Austrittsquerschnitt konkaverCurvature RA Curvature radius of the second surface at concave against the outlet cross-section

Krümmungcurvature

Claims

claims

1. Device for atomizing a liquid, the device comprising a flow channel (3), which in an operating state of the device can only be flowed through by the liquid, wherein the flow channel (3) has an outlet section (13), which outlet section (13) at least in sections is limited by a first surface (6) and a second surface (7), wherein the device further comprises an outlet cross-section (4) for exiting the liquid from the outlet section (13), wherein an edge line (5) of the outlet cross-section (4) at least Sectionally in the first surface (6) and / or in the second surface (7) and wherein the outlet cross-section (4) has a width (1) which corresponds to a minimum distance of the first surface (6) to the second surface (7) , wherein this distance is measured in a sectional plane, in which sectional plane a longitudinal axis (8) of the outlet portion (13) extends, where further, the first surface (6) and / or the second surface (7) are curved to create and increase centrifugal instability of the fluid flow with vortices in the exit section (13), and wherein the curvature of the first Surface (6) and / or the second surface (7) and the width (1) of the outlet cross section (4) are adapted to one another in such a way to escape the liquid through the outlet cross section (4) in the form of along vertebrae axes (2) Vortex-extending fluid jets (11), characterized in that the first surface (6) has at least one radius of curvature (RK) and / or that the second surface (7) has at least one radius of curvature (Rh RA) and that the ratio of the width (1) of the outlet cross-section (4) to the at least one radius of curvature (RK, Ri Ra) is 0.0047 to 0.1.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the first surface (6) has at least one radius of curvature (RK) and / or that the second surface (7) has at least one radius of curvature (R ,, RA), wherein the at least one radius of curvature (RK, Ri, Ra) is 1 mm to 50 mm, preferably 4 mm to 15 mm in size.

3. Device according to one of claims 1 to 2, characterized in that the width (1) of the outlet cross-section (4) is 0.02 mm to 2 mm, preferably 0.07 mm to 0.4 mm in size.

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the first surface (6) and / or the second surface (7) against the outlet cross section (4) are convexly curved / is.

5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the second surface (7) and / or the first surface (6) against the outlet cross section (4) are concavely curved / is.

6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the first surface (6) and / or the second surface (7) at least partially has the shape of a portion of a cylinder jacket.

7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the second surface (7) and / or the first surface (6) at least partially has the shape of a portion of a spherical surface.

8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the outlet cross-section (4) is rectangular.

9. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the outlet cross section (4) is annular or ring segment-shaped.

10. Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the width (I) of the outlet cross-section (4) is adjustable.

11. Device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the device has at least one tear-off edge (9).

12. The device according to claim 11, characterized in that two tear-off edges (9) are provided, which are arranged opposite to each other with respect to the outlet cross-section (4).

13. A method for atomizing a liquid, the method comprising the steps of: - generating a flow (1) of the liquid through a flow channel (3), wherein only the liquid flows through the flow channel (3) and wherein the liquid from an outlet section (13) of the flow channel (3) through an outlet cross-section (4) emerges; - Forming of liquid jets (11) at the outlet cross-section (4) by generating a centrifugal instability of the flow of liquid in the outlet portion (13) with vortexes, the liquid jets (11) in the outlet cross-section (4) along vortex axes (12) of the vortex and wherein the liquid jets (11) are dimensioned in such a way that the liquid jets (11) subsequently decay into droplets (12) due to the plateau Rayleigh instability, the fluid flowing in the exit section (13) being used for generating the centrifugal instability. along at least one curved surface (6, 7) is guided, which curved surface (6, 7) defines the outlet section (13) and in which an edge line (5) of the outlet cross-section (4) extends at least in sections, characterized in that the dimensioning the liquid jets (11) by tuning the curvature of the at least ei NEN surface (6, 7) and a width (1) of the outlet cross-section (4), so that the ratio of the width (1) of the outlet cross-section (4) to at least one radius of curvature (RK, R |, RA) 0.0047 to 0th , 1 is.

14. The method according to claim 13, characterized in that a device according to one of claims 1 to 12 is used.

15. The method according to any one of claims 13 to 14, characterized in that a volume flow equivalent mean velocity v of the liquid, a width 1 of the outlet cross-section (4) and the kinematic viscosity ν of the liquid are coordinated or selected so that for the Reynolds Number Re = v * 1 / ν, 10 <Re <10000, preferably 50 <Re <2500, more preferably 70 <Re <2400.

16. The method according to any one of claims 13 to 15, characterized in that the width (1) of the outlet cross-section (4) is varied to vary a mean diameter of the droplets (12).

17. Use of a device according to any one of claims 1 to 12 for spray drying, wherein by means of the device droplets (12) of a suspension or homogeneous solution are generated, which droplets (12) are again preferably dried with hot air to a powder in suspension produce suspended or dissolved in the solution substance.

18. Use according to claim 17, characterized in that the substance is a foodstuff.

19. Use according to claim 17, characterized in that the substance is a chemical. For this 5 sheets of drawings