Vorrichtung zur Feinverteilung von Substanzen mittels Ultraschall
Es ist seit langem bekannt, Substanzen mit Hilfe von Ultraschall fein zu verteilen, zu dispergieren, zu emulgieren oder auch zu vernebeln. Man hat z. B.
Metalle in Flüssigkeiten fein verteilt, indem man während der Elektrolyse Ultraschallschwingungen einwirken lässt. Heterogene Flüssigkeiten kann man durch die bekannte emulgierende Wirkung des Ultraschalls fein ineinander verteilen und Flüssigkeiten lassen sich beispielsweise mit Hilfe des bekannten Ultraschallsprudels zu Aerosolen vernebeln oder dadurch, dass man sie in verhältnismässig dünner Schicht auf eine zu intensiven Ultraschallschwingungen erregte Fläche auftropft. Ebenfalls sind Ultraschallgeräte zur Erzeugung von Aerosolen bekannt geworden, die von fokussierten Ultraschallschwingungen Gebrauch machen, indem fokussierte und hierdurch besonders konzentrierte Ultraschallstrahlung von unten gegen die Flüssigkeitsoberfläche der fein zu verteilenden Substanz trifft und hierdurch eine recht wirkungsvolle Feinverteilung in dem über der Flüssigkeit befindlichen Raum erzielt.
Alle diese Anordnungen besitzen in ihrer technischen Anwendung verhältnismässig enge Grenzen und sind daher in der Praxis noch recht wenig eingesetzt worden. Sie eignen sich z. B. gut zur Feinverteilung von Flüssigkeiten oder Lösungen, versagen jedoch bereits, wenn es darauf ankommt, Schmelzen, insbesondere Metallschmelzen, zu versprühen oder zu vernebeln. Ebenfalls versagen sie bei der Feinverteilung hochviskoser Substanzen, wie Ölen usw. Es gelingt beispielsweise mit diesen Anordnungen nicht, im Zylinder eines Dieselmotors ein Schwer öl zu zerstäuben, aus Metallschmelzen, Zinn, Blei, Kadmium, Indium usw. feinste Pulver herzustellen, was für viele technische Zwecke von hohem Wert wäre, oder beispielsweise durch feinsten Metallnebel Papier zu metallisieren.
Zur Durchführung aller dieser Vorgänge eignet sich jedoch die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Feinverteilung von Substanzen mittels Ultraschall, die dadurch gekennzeichnet ist, dass am verjüngt auslaufenden Ende eines axial durchbohrten zu Longitudinalschwingungen erregbaren Geschwindigkeitstransformators eine Kammer mit einer mindestens mit einer Bohrung versehenen Wand angeordnet ist, um den Austritt der zu verteilenden Substanz unter der Einwirkung der Ultraschallschwingungen zu ermöglichen. Die genannte Kammer soll hierbei vorzugsweise aus einer mit entsprechend feinen Bohrungen versehenen Spinndüse bestehen, die leicht auswechselbar am verjüngt auslaufenden Ende des Geschwindigkeitstransformators angeordnet ist.
Unter Geschwindigkeitstransformator (Mason Horn) versteht man in der Ultraschalltechnik bekanntlich einen exponentiell, in Kettenlinie oder auch in abgestimmten Stufen sich verjüngenden guten Schalleiter, der an seinem stumpfen Ende mit einem Ultraschallschwingungserzeuger fest gekoppelt ist.
Die vom stumpfen zum verjüngt auslaufenden Ende fortschreitende Welle vergrössert ihre Amplitude bzw.
Schallschnelle entsprechend dem abnehmenden Durchmesser des Transformators. Derartige Vorrichtungen gestatten, Schwingungsamplituden zu erzeugen, die gegebenenfalls die Zerreissfestigkeit von Metallen überschreiten können.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch. Am Ende des genannten in Pfeilrichtung longitudinal schwingenden Geschwindigkeitstransformators T ist die Kammer K angeordnet, deren Boden vorzugsweise mit feinsten Löchern L versehen ist. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, hierfür eine handelsübliche Spinndüse zu verwenden, die durch Lösen der Ringschraube S leicht ausgewechselt und dem jeweiligen Verwen dungszweck angepasst werden kann. Der Geschwindigkeitstransformator besitzt eine axiale Bohrung B mit einem schräg abwärts in ihn einmündenden Zuführungskanal K.
An seinem verjüngt auslaufenden Ende ist der Geschwindigkeitstransformator von einer ihn nur lose umgebenden Heizwicklung H umschlossen, die auch als Hochfrequenzspule zur induktiven Erwärmung des unteren Endes des Gesohwindigkeits- transformators ausgebildet sein kann.
Sollen Substanzen fein verteilt werden, die bei Zimmertemperatur flüssig sind, so kann deren Zuleitung durch den Kanal K erfolgen. Die Flüssigkeit tritt durch die sehr feinen Löcher L ihrer Viskosität entsprechend nur sehr wenig aus und bildet unterhalb des Kammerbodens einen feinen Film, der durch die intensiven Schwingungen des Transformators aufs feinste vernebeln Handelt es sich um eine sehr hoch viskose Flüssigkeit, so kann sie unter zusätzlicher Anwendung eines entsprechenden Überdruckes in die Kammer K eingeführt werden, um den erwünschten Flüssigkeitsfilm zu bilden. Sollen Substanzen, die bei Zimmertemperatur fest sind, fein verteilt werden, z. B. Zinn, Kadium, Indium, Blei usw., so können diese Substanzen in Form eines Drahtes D in den Kanal eingeschoben werden.
In diesem Falle wird die Heizung H eingeschaltet, das untere Ende des Drahtes schmilzt und die Schmelze gelangt auf diese Weise in die Kammer K und wird beim Durchtritt durch die Löcher L durch die intensiven Ultraschallschwingungen in gleicher Weise vernebelt.
Handelt es sich um chemisch reaktive oder leicht oxydierbare Substanzen, so empfiehlt es sich, den genannten Vorgang in einem Schutzgas durchzuführen. In diesem Falle befindet sich das verjüngt auslaufende Ende des Geschwindigkeitstransformators in einem Gehäuse G, das durch die Rohre Rt und R2 mit dem geeigneten Schutzgas beschickt wird. Soll feinverteiltes Pulver gewonnen werden, so empfiehlt es sich, den Abstand A zwischen der Kammer K und der Auffangfläche F so gross zu wählen, dass während des Absinkens die feinen Partikel erstarrt sind. Hierbei kann es zweckmässig sein, ein Schutzgas möglichst hoher Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Wasserstoff zu wählen.
Liegt jedoch die Aufgabe vor, kleine Substanzmengen auf eine Fläche aufzubringen, beispielsweise Papier zu metal lisieren, so legt man die zu behandelnde Fläche auf die Unterlage F auf und fährt diese so dicht an den Boden der Kammer K heran, dass die feinverteilte Substanz beim Auftreffen noch nicht erstarrt ist, sondern die feinverteilten Tröpfchen miteinander verschmelzen.
Da die Wärmekapazität jedes Tröpfchens nur sehr gering ist, erfolgt die Erstarrung ohne merkliche Verbrennungserscheinungen der zu beaufschlagenden Fläche. In diesem Falle empfiehlt es sich, die Wärmeableitung möglichst gering zu halten und eventuell im Vakuum zu arbeiten.
Device for fine distribution of substances using ultrasound
It has long been known to finely distribute, disperse, emulsify or atomize substances with the aid of ultrasound. One has z. B.
Metals finely distributed in liquids by applying ultrasonic vibrations during electrolysis. Heterogeneous liquids can be finely dispersed into one another through the well-known emulsifying effect of ultrasound and liquids can be nebulized into aerosols, for example, with the help of the well-known ultrasonic jet or by dripping them in a relatively thin layer onto a surface that is excited to intense ultrasonic vibrations. Ultrasonic devices for generating aerosols have also become known which make use of focused ultrasonic vibrations, in that focused and thus particularly concentrated ultrasonic radiation hits the liquid surface of the substance to be finely distributed from below and thereby achieves a very effective fine distribution in the space above the liquid.
All of these arrangements have relatively narrow limits in their technical application and have therefore been used very little in practice. They are suitable e.g. B. good for the fine distribution of liquids or solutions, but already fail when it comes to spraying or atomizing melts, in particular metal melts. They also fail in the fine distribution of highly viscous substances, such as oils, etc. It is not possible with these arrangements, for example, to atomize a heavy oil in the cylinder of a diesel engine, to produce the finest powder from molten metal, tin, lead, cadmium, indium, etc., which for many technical purposes would be of great value, or, for example, to metallize paper with the finest metal mist.
However, the device according to the invention for the fine distribution of substances by means of ultrasound is suitable for carrying out all these processes, which is characterized in that a chamber with a wall provided with at least one bore is arranged at the tapered end of an axially pierced speed transformer that can be excited to longitudinal vibrations Allow the substance to be distributed to escape under the action of the ultrasonic vibrations. Said chamber should in this case preferably consist of a spinneret provided with correspondingly fine bores, which is arranged in an easily exchangeable manner on the tapered end of the speed transformer.
In ultrasound technology, a speed transformer (Mason Horn) is understood to be a good sound conductor that tapers exponentially, in a chain line or in coordinated steps, and which is firmly coupled at its blunt end to an ultrasonic vibration generator.
The wave progressing from the blunt to the tapered end increases its amplitude or
The speed of sound corresponds to the decreasing diameter of the transformer. Devices of this type make it possible to generate vibration amplitudes which, if necessary, can exceed the tear strength of metals.
Fig. 1 shows an embodiment of the invention schematically. At the end of said speed transformer T, which vibrates longitudinally in the direction of the arrow, the chamber K is arranged, the bottom of which is preferably provided with very fine holes L. It has proven to be particularly advantageous to use a commercially available spinneret for this purpose, which can be easily replaced by loosening the eyebolt S and adapted to the particular application. The speed transformer has an axial bore B with a feed channel K opening obliquely downwards into it.
At its tapered end, the speed transformer is enclosed by a heating winding H which only loosely surrounds it and which can also be designed as a high-frequency coil for inductive heating of the lower end of the speed transformer.
If substances are to be finely distributed which are liquid at room temperature, they can be fed through channel K. The liquid escapes through the very fine holes L according to its viscosity only very little and forms a fine film underneath the chamber floor, which is finely atomized by the intense vibrations of the transformer.If the liquid is very viscous, it can with additional Application of an appropriate overpressure are introduced into the chamber K in order to form the desired liquid film. If substances that are solid at room temperature are to be finely divided, e.g. B. tin, cadium, indium, lead, etc., these substances can be inserted in the form of a wire D into the channel.
In this case, the heater H is switched on, the lower end of the wire melts and the melt enters the chamber K in this way and is atomized in the same way as it passes through the holes L by the intense ultrasonic vibrations.
In the case of chemically reactive or easily oxidizable substances, it is advisable to carry out the process mentioned in a protective gas. In this case, the tapered end of the speed transformer is located in a housing G, which is charged with the suitable protective gas through the pipes Rt and R2. If finely divided powder is to be obtained, it is advisable to select the distance A between the chamber K and the collecting surface F so large that the fine particles are solidified during the sinking. It can be useful to choose a protective gas with the highest possible thermal conductivity, for example hydrogen.
However, if the task is to apply small amounts of substance to a surface, for example to metalize paper, then the surface to be treated is placed on the base F and this is moved so close to the bottom of the chamber K that the finely divided substance upon impact has not yet solidified, but rather the finely divided droplets fuse together.
Since the heat capacity of each droplet is only very small, the solidification takes place without noticeable signs of burns on the surface to be acted upon. In this case it is advisable to keep the heat dissipation as low as possible and possibly to work in a vacuum.