CH627097A5

CH627097A5 -

Info

Publication number: CH627097A5
Application number: CH1351177A
Authority: CH
Inventors: Harvey L Berger; Charles R Brandow
Original assignee: Sono Tek Corp
Priority date: 1976-11-08
Filing date: 1977-11-07
Publication date: 1981-12-31
Also published as: IE46066B1; NO773808L; JPS5816082B2; DE2749859C2; GB1595716A; US4153201A; FR2386226A1; SE7712563L; NO148826B; GB1595717A; DK475677A; IE46066L; NL186796B; BE860540A; IT1090915B; NL186796C; AT383509B; JPS5892480A; LU78476A1; SE434348B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschallwandlerbaugruppe, mit einem ersten Abschnitt in der Form eines symmetrischen, beidseitig abgeschlossenen Ultraschallhornes, das ein zwischen zwei Hornabschnitten desselben eingeschlossenes Antriebselement enthält, und mit einem zweiten Abschnitt, der eine Intensivierungsstufe aufweist.

Solche Ultraschallwandlerbaugruppen werden beispielsweise in Vorrichtungen zum wirksamen Verbrennen von flüssigen Brennstoffen für das Versprühen des Brennstoffes verwendet. Ein Beispiel einer derartigen Vorrichtung ist in der US-PS 3 861 852 beschrieben.

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Beim Entwerfen von derartigen Ultraschallwandlerbaugruppen wird in bekannten Verfahren so vorgegangen, dass die Längen der Abschnitte mit Hilfe der eindimensionalen Wellengleichung berechnet werden. In ihrer einfachsten Form reduziert sich diese Gleichung auf A = c/f, wobei A die Wellenlänge (cm) ist, c die Schallgeschwindigkeit (cm/s) im Material des betreffenden Abschnittes ist und f die Nenn-Betriebsfre-quenz (Hz) ist.

Die Verwendung des eindimensionalen mathematischen Modells bedingt notwendigerweise eine Anzahl vereinfachender Annahmen. Die Möglichkeit des Auftretens von anderen Schwingungsarten als Longitudinalschwingungen wird nicht in Betracht gezogen, und es ist auch möglich, die Auswirkungen von Klemmeinrichtungen, Dichtungen und Fehlausrichtung von Teilen in der theoretischen eindimensionalen Wellengleichung zu berücksichtigen. Als Folge hiervon weicht die tatsächliche Resonanzfrequenz einer so konstruierten Ultraschallwandlerbaugruppe von der Nenn-Resonanzfrequenz ab. Zudem sind auch die tatsächlichen Resonanzfrequenzen von einzelnen Bruchteil-Wellenlängen-Segmenten der Wandlerbaugruppe untereinander nicht gleich, so dass es keine einzelne Frequenz gibt, bei der alle Segmente die richtige Länge hätten.

Das bedeutet, dass in bekannten Ultraschallwandlerbaugruppen der die Intensivierungsstufe aufweisende Abschnitt bei der tatsächlichen Resonanzfrequenz nicht genau eine halbe Wellenlänge lang ist, so dass die Intensivierungsstufe nicht genau bei einem Knoten der Auslenkung liegt und die Endfläche, die beispielsweise in einer Brennstoffversprühvorrichtung als Vibrationsfläche zum Versprühen des Brennstoffes dienen kann, nicht genau an der Stelle maximaler Auslenkung liegt.

Im bekannten Stand der Technik hat man versucht, die Wandlerbaugruppe so zu bauen, dass sie so genau wie möglich mit dem theoretischen Modell übereinstimmt. Um das zu erreichen, waren Kompromisse hinsichtlich der funktionsmässig an sich besten Konstruktion von Klemmeinrichtungen, Dichtungen usw. erforderlich. Zudem haben das in der Praxis gegebene Erfordernis, dass die Wandlerbaugruppe in irgendeiner Tragstruktur montiert werden muss, sowie unvermeidliche Ungenauigkeiten bei der Herstellung und dem Zusammenbau der Wandlerbaugruppe zur Folge, dass die tatsächliche Resonanzfrequenz nie genau gleich der theoretischen Nennfrequenz sein kann.

Die Aufgabe der Erfindung hat nun darin bestanden, die eingangs angegebene Ultraschallwandlerbaugruppe derart auszubilden und zu bauen, dass sie gegenüber bekannten Wandlerbaugruppen eine verbesserte Leistung und Wirksamkeit hat, indem der die Intensivierungsstufe aufweisende zweite Abschnitt für die tatsächliche Resonanzfrequenz der Wandlerbaugruppe richtig bemessen ist.

Bei der erfindungsgemässen Wandlerbaugruppe ist diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die theoretische Resonanzfrequenz des zweiten Abschnittes gleich der empirisch gemessenen Eigenresonanzfrequenz des ersten Abschnittes ist.

Die erfindungsgemässe Wandlerbaugruppe lässt sich mit dem ebenfalls erfindungsgemässen Verfahren herstellen, das im Patentanspruch 6 definiert ist.

Die Wandlerbaugruppe wird demnach beispielsweise wie folgt hergestellt.

Der Entwurf erfolgt für die beiden Abschnitte der Wandlerbaugruppe getrennt. Der erste Abschnitt weist in der Regel all die strukturellen Anomalien auf, die zur Folge haben, dass die tatsächliche Resonanzfrequenz von derjenigen eines theoretischen Modells abweicht, während der zweite Abschnitt so hergestellt werden kann, dass er praktisch genau dem theoretischen Modell entspricht.

Die Herstellung erfolgt dann in zwei Stufen. In der ersten Stufe wird ein Wandler hergestellt, der nur den ersten Abschnitt umfasst, d.h. das symmetrische, beidseitig abgeschlossene Ultraschallhorn mit dem Antriebselement. Der erste Abschnitt enthält alle nötigen Dichtungen, Klemmeinrichtungen usw., die die Abweichungen der empirisch gemessenen Resonanzfrequenz von der theoretisch berechneten Eigenresonanzfrequenz bewirken.

Da das Ultraschallhorn symmetrisch ist, d.h. aus zwei gleichen Hornabschnitten besteht, liegen seine vordere und seine hintere Endfläche genau an Stellen maximaler Auslenkung, wenn das Ultraschallhorn bei seiner empirisch gemessenen Resonanzfrequenz betrieben wird. Durch die Symmetrie des Ultraschallhornes ist mit anderen Worten gewährleistet, dass das Ultraschallhorn mit maximalem Wirkungsgrad arbeitet, wenn es bei seiner tatsächlichen, empirisch festgestellten Resonanzfrequenz (die von der berechneten Nennfrequenz beträchtlich abweichen kann) betrieben wird.

In der zweiten Stufe der Herstellung der Ultraschallwandlerbaugruppe wird dann der die Intensivierungsstufe aufweisende zweite Abschnitt entworfen, und zwar derart, dass er eine berechnete Eigenresonanzfrequenz hat, die gleich der tatsächlichen, empirisch gemessenen Resonanzfrequenz des ersten Abschnittes ist (und nicht gleich der theoretischen Nennfrequenz des ersten Abschnittes).

Die Ultraschallwandlerbaugruppe wird dann hergestellt mit einem hinteren Ultraschallhomabschnitt, der gleich gebaut ist wie der hintere Ultraschallhomabschnitt des vermessenen Ultraschallhornes, und einem vorderen Element, das sich zusammensetzt aus einem vorderen Ultraschallhomabschnitt gleich dem vorderen Ultraschallhomabschnitt des vermessenen Ultraschallhornes und einem zweiten Abschnitt, der dem in der zweiten Stufe berechneten Entwurf entspricht.

Der zweite Wandlerabschnitt kann mit dem vorderen Ultraschallhomabschnitt einstückig ausgebildet werden. Trotzdem kann die Ultraschallwandlerbaugruppe für die Analyse ohne weiteres in ihre beiden Abschnitte aufgeteilt werden, wobei die das einstückige vordere Element schneidende Aufteilungsebene vom Antriebselement einen Abstand hat, der gleich der Länge des hinteren Ultraschallhornabschnittes ist, da ja das Ultraschallhorn symmetrisch ist. Es ist klar, dass die theoretische Eigenresonanzfrequenz des die Intensivierungsstufe aufweisenden zweiten Wandlerabschnittes, berechnet aus der Länge dieses Abschnittes (von der genannten Aufteilungsebene aus gemessen), gleich der tatsächlichen Resonanzfrequenz der Wandlerbaugruppe sein muss. Hingegen weicht die theoretische Eigenresonanzfrequenz des ersten Wandlerabschnittes, berechnet aus dessen Länge (von der Aufteilungsebene aus nach hinten), von der tatsächlichen Resonanzfrequenz der Wandlerbaugruppe ab.

Mit besonderen Ausführungsformen der Erfindung können noch zusätzliche Probleme, von denen einige nachstehend geschildert sind, gelöst werden.

Ein Problem, das bei Wandlerbaugruppen auftritt, die in Vorrichtungen zum Verbrennen von Brennstoffen eingesetzt werden, ist die ungleichförmige Zufuhr von Brennstoff zur Sprühfläche, die zu einer ungleichförmigen Verteilung des von der Sprühfläche abgegebenen Brennstoffes führt. Es ist festgestellt worden, dass in bekannten Wandlerbaugruppen Brennstoffe mit niedriger Oberflächenspannung, z.B. Kohlenwasserstoffe, zum Teil schon im zur Sprühfläche führenden Brenn-stoffdurchlass versprüht werden. Durch dieses vorzeitige Versprühen entstehen im Brennstoffdurchlass Blasen. Die Blasen gelangen schliesslich zur Sprühfläche, wobei ihre Ankunft auf der Sprühfläche zu einer vorübergehenden Unterbrechung der Brennstoffzufuhr zu Teilen der Fläche und damit zu einer ungleichförmigen Verteilung des Brennstoffs über die Sprühfläche führt. Die Blase bleibt für eine kurze Zeit auf der Sprühfläche bestehen, so dass der unter der Blase liegende Teil der Sprühfläche während dieser Zeit nicht benetzt wird.

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Ein anderes Problem bei Wandlerbaugruppen, die in Vorrichtungen zum Verbrennen von Brennstoffen verwendet werden, besteht darin, dass der der Sprühfläche zugeführte Brennstoff, auch wenn er gleichförmig zugeführt wird, auf der Sprühfläche nicht gleichförmig verteilt und versprüht wird. Einer der Gründe für die ungleichförmige Verteilung ist die bei bekannten Konstruktionen im Betrieb auftretende Durchbiegung der Sprühfläche.

Ein weiteres Problem ist der schlechte Wirkungsgrad bekannter Wandlerbaugruppen. In einer Ultraschall-Brennstoffsprühvorrichtung wird ein Brennstoffilm mit niedrigem Druck einer Sprühfläche zugeführt und in Vibrationen senkrecht zur Sprühfläche mit einer Frequenz über 20 kHz versetzt. Die schnellen Bewegungen der ebenen Fläche erzeugen im Flüssigkeitsfilm Kapillarwellen. Wenn die Amplitude der Wellenscheitel die Stabilitätsgrenze des Systems überschreitet, löst sich Flüssigkeit in der Form von Tröpfchen von den Wellenscheiteln.

Je kleiner die Tröpfchengrösse ist, desto grösser wird für ein gegebenes Brennstoffvolumen die Grenzfläche zwischen Brennstoff und Luft. Die vergrösserte Grenzfläche zwischen Brennstoff und Luft ermöglicht eine bessere Ausnutzung der Primärverbrennungsluft, so dass die Verbrennung mit einem kleinen Luftüberschuss durchgeführt werden kann, was aus Wirkungsgradgründen erwünscht ist.

Wenn das der Sprühfläche pro Zeiteinheit zugeführte Brennstoffvolumen gegeben ist, dann ist die bei der Versprühung wirksame Fläche umso grösser, je dünner der Brennstofffilm ist. Die grössere v/irksame Sprühfläche ermöglicht eine höhere Sprühleistung. In bekannten Wandlerbaugruppen sind in dieser Hinsicht Grenzen dadurch gegeben, dass der der Sprühfläche zugeführte Brennstoff nicht die ganze Sprühfläche bedeckt, bevor er versprüht wird. Zudem erschwert auch die an glatten, metallischen Sprühflächen auftretende Oberflächenspannung die vollständige Benetzung der Sprühfläche.

Anhand der Zeichnung werden nachstehend Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittansicht eines ersten Abschnittes einer Wandlerbaugruppe,

Fig. 2 eine Querschnittansicht eines zweiten Abschnittes der Wandlerbaugruppe,

Fig. 3 eine Querschnittansicht der ganzen Wandlerbaugruppe,

Fig. 4 in grösserem Massstab eine Querschnittansicht einer anderen Ausführungsform eines mit einem Flansch versehenen Sprüh-Endstückes mit einer beschichteten Sprühfläche,

Fig. 5 ebenfalls in grösserem Massstab eine Vorderansicht einer Sprühfläche, welche Brennstoffkanäle aufweist,

Fig. 5A einen Schnitt nach der Linie 5A—5A in Fig. 5, Fig. 6 eine Teilschnittansicht eines weiteren mit einem Flansch versehenen Sprüh-Endstückes, das eine Heizvorrichtung aufweist,

Fig. 7 eine Schnittansicht eines mit einem Flansch versehenen Sprüh-Endstückes, dessen Sprühfläche zwecks Oberflä-chenvergrösserung geätzt ist,

Fig. 8 eine Schnittansicht eines Sprüh-Endstückes mit konvex gewölbter Sprühfläche,

Fig. 9 eine Schnittansicht eines Sprüh-Endstückes mit konkav gewölbter Sprühfläche,

Fig. 10 eine teilweise geschnittene und teilweise schematische Ansicht eines Brenners,

Fig. 10A eine Schnittansicht des vorderen Endes des Brenners mit während der Zündphase vorübergehend innerhalb der Flammenumhüllungsfläche liegenden Zündelelektroden,

Fig. 10B eine ähnliche Schnittansicht wie Fig. 10A, jedoch für den normalen Betrieb, wobei die Zündelelektroden ausserhalb der Flammenumhüllungsfläche liegen,

Fig. 11 eine teilweise geschnittene und teilweise schematische Ansicht eines Brenners mit einer Einrichtung zum Verändern des Luftdurchsatzes durch den Brenner,

Fig. 12 einen Schnitt nach der Linie 12—12 in Fig. 11, Fig. 13 ein Blockschema einer Steuervorrichtung für die Luftstromveränderungseinrichtung gemäss Fig. 11 und 12,

Fig. 14 ein Blockschema des dreistufig gesteuerten Betriebes einer Heizung mit einem Ölbrenner und

Fig. 15 ein Blockschema einer Sonnenkollektor-Ergän-zungsheizung mit kontinuierlicher Steuerung.

Anhand der Fig. 1 bis 3 wird eine Wandlerbaugruppe beschrieben, deren Konstruktion u.a. hinsichtlich eines maximalen Gütefaktors Q dadurch optimiert ist, dass ein erster Abschnitt der Baugruppe, der ein Antriebselement und zwei gleiche Hornabschnitte enthält (Fig. 1), so ausgelegt wird, dass er bezüglich der Längsachse symmetrisch ist. Dieser erste Abschnitt der Baugruppe kann als beidseitig abgeschlossenes Ultraschallhorn bezeichnet werden. Danach wird die Resonanzfrequenz des ersten Abschnittes gemessen, und es wird ein zweiter Abschnitt angefügt (Fig. 2), der eine Intensivierungs-Stufe und eine Sprühfläche aufweist und dessen theoretische Resonanzfrequenz an die empirisch festgestellte Resonanzfrequenz des ersten Abschnittes angepasst ist. So entsteht eine vollständige Wandlerbaugruppe (Fig. 3), die einen maximalen Q-Wert aufweist und für die Erreichung einer wirkungsvollen Verbrennung von Brennstoffen geeignet ist.

Der in Fig. 1 gezeigte erste Abschnitt 11 der Wandlerbaugruppe enthält einen vorderen und einen hinteren Ultraschallhomabschnitt 12A bzw. 13 und ein Antriebselement 14 mit zwei piezoelektrischen Scheiben 15 und 16 und einer zwischen denselben angeordneten Elektrode (nicht dargestellt), der über einen Anschluss 18 elektrische Hochfrequenzenergie zugeführt wird.

Das Antriebselement 14 liegt zwischen Flanschteilen 19, 20 der Hornabschnitte 12A, 13 und ist zwischen diesem mittels einer Klemmeinrichtung festgeklemmt, welche einen Haltering 21 (zum Befestigen der Baugruppe an anderen Anlageteilen) und mehrere Bolzen 22 aufweist, die sich durch Löcher im Anschluss 18 und in den Flanschteilen 19 und 20 erstrek-ken und in Öffnungen im Haltering 21 geschraubt sind. Die Bolzen 22 sind durch Isolatoren 23 von dem Anschluss 18 elektrisch isoliert.

Der erste Abschnitt 11 enthält femer ein Brennstoffrohr 24 zum Einführen von Brennstoff in einen Kanal in der Wandlerbaugruppe sowie zwei Dichtungen 26 und 27, die zwischen den Flanschteilen 19, 20 der Hornabschnitte eingeklemmt sind.

Die Hornabschnitte 12A und 13 mit den Flanschteilen 19 und 20 bestehen vorzugsweise aus akustisch gut leitendem Material, wie Aluminium, Titan oder Magnesium, oder Legierungen dieser Metalle, z.B. Ti-6A1-4V-Titan-Aluminium-Legierung, 6061-T6-Aluminiumlegierung, 7025-Aluminiumlegie-rung hoher Festigkeit, AZ 61-Magnesiumlegierung od.dgl. Die Scheiben 15 und 16 bestehen aus Blei-zirkonat-titanat, wie es z.B. von der Firma Vernitron Corporation geliefert wird, oder aus Lithium-miobat von der Firma Valtec Corporation. Die Elektrode besteht aus Kupfer, und der Anschluss 18, der Haltering 21 sowie die Bolzen 22 bestehen aus Stahl. Die Isolatoren 23 können aus Nylon, Teflon oder einem anderen Kunststoff mit guten elektrisch isolierenden Eigenschaften gefertigt sein, und die Dichtungen 26 und 27 können aus Silicongummi bestehen.

Der erste Abschnitt 11 besitzt eine symmetrische Halbwel-lenlängen-Geometrie, weist dabei aber alle Anomalien von Wandlerbaugruppen auf, wie Festklemmung ausserhalb von Knotenebenen, Kupferelektrode, Schraubenklemmung und Haltering. Die Eigenschaften dieses ersten Abschnittes werden bestimmt und seine Eigenfrequenz für maximalen Q-Wert

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quantitativ gemessen. Diese Frequenz beträgt beispielsweise 85 kHz. Damit ist der erste Schritt der Konstruktion der Wandlerbaugruppe beendet.

Gemäss Fig. 2 wird ein zweiter Halbwellenabschnitt 29 an den ersten Abschnitt 11 angefügt. Der Abschnitt 29 besitzt ein Segment 12B mit grossem Durchmesser und ein Segment 30 mit kleinem Durchmesser, zwischen denen eine Intensivierungsstufe 31 vorhanden ist, sowie ein Flansch-Endstück 32, das eine Sprühfläche 33 aufweist, einen zentralen Durchlass 34 für die Zufuhr von Brennstoff zur Sprühfläche 33 und eine im Durchlass 34 angeordnete Entkopplungshülse 35. Die Entkopplungshülse besteht aus Teflon oder einem anderen Material, welches eine gute akustische Kopplung mit der Brennstoffbohrung vermeidet.

Für den Fachmann ist ersichtlich, dass dieser Abschnitt 29 wenig Anomalien aufweist, da sein Aufbau praktisch der Theorie entspricht. Seine Eigenfrequenz für maximalen Q-Wert wird berechnet und so gewählt, dass sie an die Eigenfrequenz des ersten Abschnittes 11 angepasst ist.

Zur Vollendung der Konstruktion werden die Abschnitte 11 und 29 zusammenhängend ausgebildet, so dass eine Wandlerbaugruppe (Fig. 3) erhalten wird, die für maximalen Q-Wert optimiert ist und für die Erzielung einer wirkungsvollen Verbrennung von Brennstoffen verwendet werden kann.

In bekannten Wandlerbaugruppen für die Ultraschall-Versprühung von Brennstoff ist ein Flansch-Endstück 32 mit einer Sprühfläche 33 auch schon verwendet worden. Das Flansch-Endstück mit der Sprühfläche 33 erhöht die Sprühleistung,

weil die Sprühfläche grösser ist. Durch das Anfügen des Flansches ist jedoch der Wirkungsgrad schlechter geworden.

Gemäss Fig. 2 ist A die Länge des vorderen Hornabschnittes 12B, B die Länge des Segmentes 30 mit kleinerem Durchmesser und C die Dicke des Flansch-Endstückes 32.

In bekannten Baugruppen, die keinen Flansch verwenden,

ist = 1, da beides Viertelwellenabschnitte sind.

A

In bekannten Baugruppen mit Flansch ist = 1.

B + C

Es ist festgestellt worden, dass mit der Beibehaltung des Verhältnisses 1 auch nach der Hinzufügung des Flansches der Wirkungsgrad und die Leistungsübertragung reduziert werden,

dass aber mit einem Verhältnis ——— > 1 der Wirkungsgrad

B + C

mit Flansch auf etwa auf der Höhe des Wirkungsgrades ohne Flansch gehalten werden kann. Wenn beispielsweise

D3 = Durchmesser des Flanschstückes 32

D2 = Durchmesser des Segmentes 30

ist, dann kann mit

„ (mit Flansch) = 1,12 Jd + L-

mit dem Flansch ein Wirkungsgrad erreicht werden, der etwa gleich hoch ist wie der Wirkungsgrad, der ohne Flansch mit t"

erreicht wird.

Die vorstehenden Angaben gelten für Baugruppen aus Aluminium, Titan, Magnesium oder den schon erwähnten Legierungen unter der Annahme, dass die Schallgeschwindigkeit im Material des Segmentes 30 und die Schallgeschwindigkeit im Material des Flanschstückes 32 etwa gleich sind. Für andere Materialien und abweichende Schallgeschwindigkeiten ist das A

Verhältnis —-——- anders, jedoch stets grösser als 1.

B + C

Die nützliche Lebensdauer der Vorrichtung wird durch den dichten Einschluss der Scheiben 15 und 16 wesentlich erhöht, weil damit Verunreinigungen durch Brennstoff vermieden werden. Der Raum zwischen den Klemmflanschteilen 19 und 20 ist mit einer Silicongummiverbindung in Form der Dichtungen 26 und 27 ausgefüllt. Ohne diese Dichtungen könnte Brennstoff auf die Oberflächen der Scheiben 15 und 16 kriechen und deren Wirkung beeinträchtigen, wodurch im Laufe der Zeit die Sprühleistung herabgesetzt würde. Die Erscheinung würde die mechanische Kopplung zwischen den Elementen verschlechtern. Mit den Dichtungen 26 und 27 ist dieses Problem gelöst. Die hinzugefügte Masse der Dichtungen beeinträchtigt die Sprühleistung nicht, was durch Messung der Impedanz, der Betriebsfrequenz und der Flanschauslenkung mit und ohne Dichtung nachgewiesen werden kann. Die geringfügig höhere innere Erwärmung, die durch den Einschluss der Scheiben 15 und 16 bewirkt wird, setzt die Lebensdauer der Vorrichtung nicht herab, da die inneren Temperaturen auch so noch beträchtlich unter den maximal zulässigen Betriebstemperaturen der piezoelektrischen Kristalle bleiben. Die Dichtungen 26 und 27 bestehen aus kompressiblem Material, und ihr innerer Umfang ist an die Form des äusseren Umfan-ges der Scheiben 15 und 16 angepasst, jedoch anfänglich etwas grösser als dieser. Mit dem Zusammenklemmen kommt der innere Umfang der Dichtungen 26 und 27 mit dem äusseren Umfang der Scheiben 15 und 16 in leichte Berührung.

Vorzeitige Versprühung von Brennstoff in dem zur Sprühfläche führenden Brennstoffdurchlass ist zu vermeiden. In bekannten Konstruktionen wird Brennstoff unter Umständen schon in dem zur Sprühfläche führenden Brennstoffdurchlass versprüht. Durch dieses vorzeitige Versprühen entstehen im Brennstoffdurchlass an der Grenzfläche zwischen Brennstoff und Wand Hohlräume, so dass im Brennstoffdurchlass Blasen gebildet werden. Die Blasen gelangen schliesslich zur Sprühfläche, wobei ihre Ankunft an der Sprühfläche eine vorübergehende Unterbrechung der Brennstoffzufuhr zu einem Teil der Sprühfläche bewirkt, so dass der Brennstoff ungleichmässig über die Sprühfläche verteilt wird. Die Blase bleibt während kurzer Zeit auf der Sprühfläche bestehen, so dass der Flächenbereich unter der Blase während dieser Zeit nicht mit Brennstoff benetzt ist. Diese ungleichmässige und ständig variierende Verteilung des Brennstoffes auf der Sprühfläche führt zu einem räumlich unstabilen Brennstoff-Sprühstrahl und damit zu einer unstabilen Verbrennung.

Die geschilderten Probleme werden nun durch Anordnung der Entkopplungshülse 35 in dem Brennstoffdurchlass 34 vermieden. Die Entkopplungshülse 35 erstreckt sich bis auf etwa 0,8 mm an die Sprühfläche 33 heran. Sie besteht vorzugsweise aus Kunststoff und ist mit einem Presssitz in den Durchlass 34 eingesetzt, in dem sie sich nach innen bis in das Segment 12B grossen Durchmessers erstreckt. Der Unterschied zwischen den akustischen Übertragungseigenschaften des Materials der Hülse 35 und des Materials des Hornabschnittes 29 ist derart, dass die vibrierende Bewegung des Abschnittes 29 nicht auf den Brennstoff übertragen wird, der im Durchlass 34 von der Hülse 35 umgeben ist.

Wesentlich ist auch die Erzielung einer gleichförmigen Versprühung auf der Sprühfläche 33.

Ungleichförmige Verteilung oder Versprühung kann u. a. dadurch verursacht werden, dass sich das vibrierende Sprüh-Endstück durchbiegt. Die Ungleichförmigkeit ist geringer, wenn sich die Sprühfläche 33 als starre Ebene bewegt. Um das zu erreichen, muss die Dicke des Flanschstückes 32 erhöht werden, damit das Flanschstück 32 und die Fläche 33 während der Vibration praktisch starr bleiben. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die Dicke des Flanschstückes 32 etwa 1,3 mm.

Natürlich ist die Erzielung einer möglichst hohen Sprühleistung wünschbar. In bekannten Vorrichtungen ist die Sprühleistung wegen der Tatsache begrenzt, dass der der Sprühfläche zugeführte Brennstoff nicht die ganze Sprühfläche bedecken s

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kann, bevor er versprüht wird. Zusätzlich kann auch die auf einer glatten, metallischen Oberfläche normalerweise vorhandene Oberflächenspannung dazu führen, dass nicht die ganze Oberfläche benetzt wird.

Um diesen Schwierigkeiten zu begegnen, wird die Oberflächenspannung an der Grenze zwischen Brennstoff und Sprühfläche herabgesetzt, damit der der Sprühfläche zugeführte Brennstoff leichter über die Sprühfläche fliessen kann. Zusätzlich werden Mittel zum gleichmässigeren Verteilen des Brennstoffes über die Sprühfläche vorgesehen.

In einer Ausführungsform, die in Fig. 4 dargestellt ist, ist die Sprühfläche 33 zur Herabsetzung der Oberflächenspannung an der Grenze zwischen Brennstoff und Sprühfläche mit einem geeigneten Material beschichtet. Fig. 4 zeigt eine dünne Schicht 41 auf der Sprühfläche 33 des Flanschstückes. Die Schicht 41 besteht beispielsweise aus Teflon, Polyvinylchlorid, einem Polyester oder einem Polycarbonat.

In einer anderen Ausführungsform, die in Fig. 5 dargestellt ist, sind in der Sprühfläche 33 bevorzugte Wege oder Kanäle 42 ausgebildet, durch welche der Brennstoff die äusseren Ränder leichter erreichen kann. Die in der Sprühfläche vorhandenen Kanäle, die sich bis zum äusseren Umfang des Flanschstückes erstrecken, erleichtern den Brennstofffluss über die ganze Sprühfläche. So entsteht bei gegebener Brennstoffmenge ein dünner Breiinstoffilm, der sich im wesentlichen über die ganze Sprühfläche erstreckt, und nicht nur um den zentralen Brennstoffdurchlass herum ein etwas dickerer Film.

In noch einer anderen Ausführungsform, die in Fig. 6 dargestellt ist, ist eine Heizeinrichtung 43 vorgesehen, die die Sprühfläche im Betrieb auf eine Temperatur von bis zu etwa 65 °C erwärmt. Die Wärme reduziert die Viskosität des Brennstoffes und fördert dadurch die Benetzung der Sprühfläche.

Gemäss Fig. 7 ist die Sprühfläche, wie bei 44 gezeigt, durch Ätzen oder Sandstrahlen aufgerauht, wodurch die Oberfläche der Sprühfläche vergrössert ist und die Filmdicke bei gegebener Brennstoffmenge kleiner wird.

Die geometrische Form der Sprühfläche beeinflusst die Form des Sprühstrahles und die Dichte der durch das Versprühen gebildeten Teilchen. Mit einer ebenen Sprühfläche 33, wie sie in den Fig. 2 bis 7 dargestellt ist, entsteht eine bestimmte Sprühstrahlform und eine bestimmte Teilchendichte. Wenn die Sprühfläche 33' gemäss Fig. 8 konvex ausgebildet wird, wird der Sprühstrahl breiter und die Teilchenzahl pro Querschnittsflächeneinheit kleiner als bei einer ebenen Sprühfläche. Eine konkave Sprühfläche 33" gemäss Fig. 9 ergibt einen schmaleren Sprühstrahl mit höherer Teilchendichte als eine ebene Sprühfläche. Verschiedene Sprühstrahlformen können für unterschiedliche Anwendungen erforderlich sein.

In einem mit einer Wandlerbaugruppe ausgerüsteten Brenner bildet die kurze Lebensdauer der Zündelektroden ein Problem. Diese Elektroden liefern Funken zum Auslösen der Entzündung des Brennstoff-Luft-Gemisches im Flammenkegel. Nach der Entzündung erstrecken sich die Elektroden in die Flammenumhüllungsfläche hinein und sind während der Betriebszyklen des Brenners dauernd den hohen Flammentemperaturen ausgesetzt, wodurch sie rasch unbrauchbar werden und daher häufig ersetzt werden müssen.

Um dieses Problem auszuschalten, werden die Zündelelektroden vorzugsweise ausserhalb der normalen Flammenumhüllungsfläche angeordnet und wird während der Zündphase die den Elektroden der Wandlerbaugruppe zugeführte Antriebsleistung erhöht. Durch diese Leistungserhöhung wird der Öffnungswinkel der Sprühstrahl-Umhüllungsfläche wesentlich vergrössert, wodurch die Zündelelektroden in den vom Brenn-stoff-Luft-Gemisch eingenommenen Raum zu liegen kommen. Sobald die Zündung erfolgt ist, wird der Öffnungswinkel der Sprühstrahl-Umhüllungsfläche durch Herabsetzen der den

Wandlerelektroden zugeführten Leistung wieder auf den Normalbetriebswert zurückgebracht, so dass dann die Zündelektroden ausserhalb der Flammenumhüllungsfläche liegen.

Gemäss Fig. 10 enthält ein Brenner 50 ein Gebläserohr 51, eine Wandlerbaugruppe 52, eine Zündeinrichtung mit Zündelektroden 53, ein Gebläse 54 zur Lieferung von Luft für die Verbrennung und zum Kühlen der Wandlerbaugruppe 52, eine Luftablenkeinrichtung 55, einen Flammenkonus 56, eine einstellbare Einrichtung 57 für die Lieferung von elektrischer Energie, einen Flammenfühler 58 und eine Pumpe 59 für die Zufuhr von Brennstoff aus einem Tank 60 zur Wandlerbaugruppe. Die Zündelektroden 53 sind zwischen dem Gebläserohr 51 und dem Flammenkonus 57 angeordnet und von Isolatoren aus Keramik oder Porzellan gehalten, die von hochtemperaturbeständigen Asbestmaterial umgeben sind. Die Zündelektroden liegen in der Nähe der Sprühfläche, haben aber von dieser einen genügenden Abstand von z.B. etwa 13 mm, um einen Überschlag der Zündfunken auf die Wandlerbaugruppe zu vermeiden. Während der Zündphase wird den Eingangsleitungen der Wandlerbaugruppe 52 von der Speiseeinrichtung 57 eine erhöhte elektrische Leistung zugeführt (höhere Spannung und grösserer Strom als im Normalbetrieb). Zu diesem Zweck kann die Elektronik der Speiseeinrichtung 57 so programmiert sein, dass sie bis zum Eintritt der Zündung automatisch den Eingangsleitungen der Wandlerbaugruppe mehr Leistung zuführt. Während der Zündphase liegen die Zündelektroden innerhalb der Umhüllungsfläche der Flamme im Flammenkonus 56 (Fig. 10A). Nach erfolgter Zündung gibt der Flammenfühler 58 ein Signal an die Speiseeinrichtung 57 ab, welches die Antriebsleistung der Wandlerbaugruppe auf den Normalbetriebswert zurückschaltet, wodurch der Öffnungswinkel der Flammenumhüllungsfläche kleiner wird, so dass nun die Zündelektroden 53 ausserhalb dieser Umhüllungsfläche liegen (Fig. 10B). So ergibt sich eine grössere Lebensdauer der Zündelektroden, weil diese im normalen Betrieb auf einer tieferen Temperatur gehalten werden. Die Zündelelektroden versagen daher weniger schnell und werden nicht durch dauernde Erhitzung oxydiert.

Ein Vorteil der Verwendung einer Ultraschall-Brennstoffsprühvorrichtung besteht darin, dass die pro Zeiteinheit zugeführte Brennstoffmenge in weiten Grenzen verändert werden kann. In einem Brenner mit veränderbarer Brennstoffmenge ist es jedoch vorteilhaft, auch Mittel zum Verändern der pro Zeiteinheit durch das Gebläserohr 51 strömenden Luftmenge vorzusehen. Zum Verändern dieser Luftmenge kann man entweder die Drehzahl des Gebläsemotors elektrisch steuern oder im Wege des Luftstromes eine Durchlassöffnung anordnen, deren Grösse verändert werden kann, während die Motordrehzahl konstant bleibt. Die letztere Methode, die anhand der Fig. 11 bis 13 näher erläutert wird, ist vorzuziehen, weil nur bei ihrer Anwendung im Brenner ein statischer Luftdruck aufrecht erhalten werden kann, der für die Erzeugung der zur richtigen Verbrennung nötigen Turbulenz ausreicht. Gemäss den Fig. 11 bis 13 ist im Gebläserohr 51 eine Irisblende 61 angeordnet, die elektrisch gesteuert wird.

Mit der elektrischen Steuerung wird für jede Brennstoffmenge die Luftmenge durch Öffnen oder Schliessen der Irisblende 61 automatisch eingestellt, bis optimale Brennbedingungen festgestellt werden. Zur Feststellung der optimalen Brennbedingungen wird der C02-Gehalt der Abgase aus dem Ofen mittels eines Fühlers 62 überwacht. Der Fühler 62 liefert Signale an eine Luftmengen-Steuerschaltung 63, die die Irisblende 61 verstellt, bis ein vorbestimmter C02-Gehalt, z.B. 12,5 bis 13 % C02, erreicht ist.

Bekannte Ölbrenner arbeiten nur mit den zwei Stufen «AUS» und «EIN», wobei bei «EIN» die Brennstoffmenge pro Zeiteinheit fixiert ist. Ein solcher Zweistufenbetrieb weist verschiedene Nachteile auf. Erstens ist er unwirtschaftlich in

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dem Sinn, dass er mehr Brennstoff verbraucht, als nötig wäre, und zweitens trägt er zur Luftverschmutzung bei. Im Zweistufenbetrieb werden jedesmal beim Übergang vom «AUS»-Zu-stand zum «EIN»-Zustand und umgekehrt grosse Mengen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid aus- 5 gestossen.

Diese Nachteile können vermieden werden, wenn man zu einem Dreistufenbetrieb übergeht.

In einem solchen Dreistufenbetrieb sind gemäss Fig. 14 drei verschiedene Brennerleistungen möglich, nämlich «hoch», io «niedrig» und «aus». Die drei Brennerleistungen können beispielsweise die folgenden sein:

«hoch» - 2,4 Liter/Stunde

«niedrig» — 0,8 Liter/Stunde «aus» - 0 Liter/Stunde i5

Die hohe Leistung wird durch einen Innenthermostat 71 eingeschaltet, wenn dieser eine zu tiefe Temperatur feststellt, gleich wie in herkömmlichen Heizungsanlagen. Wenn der (durch die Thermostateinstellung bestimmte) Wärmebedarf befriedigt ist, geht die Anlage auf die niedrige Leistung über, 20 indem ein Steuerventil 72 eine Heizungssteuerung 73 entsprechend betätigt. Dabei bleiben die Leitungen und Wärmetauscher der Anlage auf einer erhöhten Temperatur und werden die Wärmeverluste kompensiert, die bei vollständigem Ausschalten der Anlage, wie in bekannten Anlagen, zu einem Ab- 25 sinken der Temperatur führen würden.

Im Betrieb wird also normalerweise nur zwischen hoher Brennerleistung und niedriger Brennerleistung umgeschaltet, wobei beispielsweise 10 Minuten mit hoher, dann 20 Minuten mit niedriger, dann wieder 10 Minuten mit hoher Brennerlei- 30 stung gearbeitet wird usw. In dieser Weise kann die Heizung mit besserem Wirkungsgrad arbeiten, weil die Anlage schon warm ist, wenn auf die hohe Brennerleistung umgeschaltet wird. Zudem braucht die «hohe» Brennerleistung nicht so hoch zu sein, wie sie in einer bekannten Anlage sein müsste, 35 weil wegen des schon warmen Zustandes am Ende einer Periode mit niedriger Brennerleistung die Anlage rascher auf einen Wärmebedarf ansprechen kann.

Die Brennerleistung «aus» oder «0» würde nur verwendet, wenn überhaupt kein Wärmebedarf vorhanden ist, beispielsweise an Tagen, an denen die Aussentemperatur gleich hoch wie oder höher ist als die Innentemperatur. Ein solcher Zustand könnte von einem Aussentemperaturfühler 74 festgestellt werden, der dann das Steuerventil 72 entsprechend betätigt, oder stattdessen könnte das Steuerventil auch von Hand betätigt werden.

Die beschriebene Wandlerbaugruppe kann auch in einer Ölheizungsanlage mit kontinuierlicher Steuerung der Heizleistung verwendet werden. In der Anlage gemäss Fig. 15 variiert die Brennerleistung kontinuierlich zwischen gegebenen oberen und unteren Grenzen, und zwar in Abhängigkeit von einem äusseren Steuersignal, das der Brennerelektronik in diesem Ausführungsbeispiel von Anlageteilen einer Sonnenkollektor-heizung zugeführt wird. Wenn die Temperatur eines Warmwasserbehälters 81 über einer Minimaltemperatur T0 gehalten werden soll, dann muss wegen der Schwankungen der Sonnenenergie, die von einer Pumpe 82 und einem Sonnenkollektor

83 geliefert wird, die allenfalls fehlende Energie durch Wärmezufuhr von einer Ölheizung 84 geliefert werden. Die schwankende Grösse der fehlenden Energie wird von einem Fühler 85 festgestellt, der die Brennerleistung der Ölheizung

84 innerhalb der gegebenen Leistungsgrenzen kontinuierlich so steuert, dass die Summe der Sonnenwärme und der Ölheizungswärme, die dem Warmwasserbehälter 81 zugeführt werden, auf der erforderlichen Höhe bleibt.

Obwohl vorstehend Anwendungen des Brenners in Ölheizungen für Häuser beschrieben worden sind, ist klar, dass sich der Brenner auch für andere Anwendungen eignet. Er kann beispielsweise in einem Wohnfahrzeug verwendet werden, wobei seine geringe Leistung, z.B. weniger als 2 Liter pro Stunde, und die kontinuierliche Regelbarkeit besonders vorteilhaft sind. Die Wandlerbaugruppe ist auch verwendbar für die Zufuhr von Brennstoff in Verbrennungsmotoren oder Strahltriebwerken. Ferner können mit ihr natürlich nicht nur Brennstoffe versprüht werden, sondern auch andere Flüssigkeiten, z.B. Wasser.

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3 Blatt Zeichnungen

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PATENTANSPRÜCHE

1. Ultraschallwandlerbaugruppe, mit einem ersten Abschnitt (11) in der Form eines symmetrischen, beidseitig abgeschlossenen Ultraschallhornes, das ein zwischen zwei Hornabschnitten (12A und 13) desselben eingeschlossenes Antriebselement (14) enthält, und mit einem zweiten Abschnitt (29), der eine Intensivierungsstufe (31) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die theoretische Resonanzfrequenz des zweiten Abschnittes (29) gleich der empirisch gemessenen Eigenresonanzfrequenz des ersten Abschnittes (11) ist.
2. Ultraschallwandlerbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (29) ein Halbwel-lenabschnitt ist und ein erstes Segment (12B) mit einem ersten Durchmesser und einer Länge A, ein zweites Segment (30), das einen zweiten, kleineren Durchmesser und eine Länge B hat und sich vom ersten Segment (12B) weg erstreckt, und am freien Ende des zweiten Segmentes (30) einen von einem Flansch-Endstück (32) mit einer Dicke C gebildeten Verschie-bungs-Schwingungsbauch aufweist, wobei A grösser ist als

B + C und die Dicke des Flansch-Endstückes (32) so gross ist, dass sich dasselbe im Betrieb der Wandlerbaugruppe als starre Ebene bewegt.
3. Ultraschallwandlerbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (11) einen hinteren Ultraschallhornabschnitt (13) mit einem Flanschteil (20) am einen Ende und einen vorderen Ultraschallhornabschnitt (12A) mit einem Flanschteil (19) am anderen Ende aufweist, dass das Antriebselement (14) zwei piezoelektrische Scheiben (15 und 16) und eine zwischen denselben angeordnete Elektrode besitzt und zwischen den Flanschteilen (19 und 20) der beiden Ultraschallhornabschnitte (12Aund 13) angeordnet ist, dass eine Klemmeinrichtung (21, 22) zum Gegeneinanderzie-hen der Flanschteile (19 und 20) der beiden Ultraschallhornabschnitte (12A und 13) gegen das Antriebselement (14) vorgesehen ist, und dass der zweite Abschnitt (29) ein erstes Segment (12B), das einen ersten Durchmesser und eine Länge A hat und mit dem vorderen Ultraschallhomabschnitt (12A) des ersten Abschnittes (11) einstückig ausgebildet ist, ein zweites Segment (30), das einen zweiten, kleineren Durchmesser und eine Länge B hat und sich vom ersten Segment (12B) weg erstreckt, wobei die Grenzfläche zwischen dem ersten und dem zweiten Segment (12B bzw. 30) die genannte Intensivierungsstufe (31) zur Verstärkung der Vibrationsbewegungen am vorderen Ende des zweiten Segmentes (30) bildet, und an diesem vorderen Ende ein starres Flansch-Endstück (32) mit einer Dicke C aufweist, welches Flansch-Endstück (32) eine Vibrationsfläche (33) trägt, um ein Versprühen eines ihr zugeführten Flüssigkeitsfilmes zu bewirken, wobei der zweite Abschnitt (29) ein Halbwellenabschnitt ist und A grösser ist als B + C.
4. Ultraschallwandlerbaugruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden piezoelektrischen Scheiben (15 und 16) zwischen dem vorderen und dem hinteren Ultraschallhomabschnitt (12A bzw. 13) je von einem ringförmigen Dichtungselement (26 bzw. 27) aus kompressiblem, elastomerischem Material umgeben sind, welche Dichtungselemente (26,27) jeweils einen inneren Umfang aufweisen, der in entspanntem Zustand an die Form des äusseren Umfanges der betreffenden piezoelektrischen Scheibe (15 bzw. 16) angepasst, aber etwas grösser als dieser ist, wobei die von der Klemmeinrichtung (21, 22) ausgeübte Druckkraft ausreichend ist, um eine akustische Koppelung zwischen dem Antriebselement (14) und den beiden Ultraschallhornabschnitten (12A und 13) zu bewirken und dabei den inneren Umfang der Dichtungselemente (26 und 27) mit dem äusseren Umfang der piezoelektrischen Scheiben (15 bzw. 16) in Berührung zu drücken.
5. Ultraschallwandlerbaugruppe nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Mittel (24, 34) zum Zuführen von Flüssigkeit zu der genannten Vibrationsfläche (33), welche Mittel (24, 34)

einen sich durch den zweiten Abschnitt (29) hindurch zur Vibrationsfläche (33) erstreckenden Durchlass (34) enthalten, in dem eine Entkoppelungshülse (35) angeordnet ist, die sich bis zur Vibrationsfläche (33) erstreckt, um die innere Oberfläche des Durchlasses (34) von durch den Durchlass strömender Flüssigkeit akustisch zu isolieren.
6. Verfahren zur Herstellung der Ultraschallwandlerbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man einen ersten Wandlerabschnitt (11) in der Form eines beidseitig abgeschlossenen Ultraschallhornes mit einem Antriebselement (14), einem hinteren Ultraschallhomabschnitt (13), einem gleichen vorderen Ultraschallhomabschnitt (12A) und einer Klemmeinrichtung (21, 22) zum Festklemmen der beiden Ultraschallhornabschnitte (12A und 13) an dem Antriebselement (14) herstellt, dass man die Resonanzfrequenz dieses ersten Wandlerabschnittes (11) empirisch misst, und dass man dann die Ultraschallwandlerbaugruppe mit einem ersten Abschnitt (11), der gleich aufgebaut ist wie der vermessene erste Wandlerabschnitt (11), und einem an den vorderen Ultraschallhomabschnitt (12A) des ersten Abschnittes (11) angefügten zweiten Abschnitt (29) herstellt, der eine Intensivierungsstufe (31) aufweist und eine theoretische Resonanzfrequenz hat, die gleich der empirisch gemessenen Resonanzfrequenz des ersten Wandlerabschnittes (11) ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (29) mit dem vorderen Ultraschallhomabschnitt (12A) des ersten Abschnittes (11) einstückig ausgebildet wird.
8. Verwendung der Ultraschallwandlerbaugruppe nach Anspruch 3 als Sprühvorrichtung für flüssige Brennstoffe in einem Brenner, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Zuführen von Brennstoff zur Vibrationsfläche (33) der Ultraschallwandlerbaugruppe in veränderbarer Menge pro Zeiteinheit vorgesehen sind, dass das Antriebselement (14) mit einer Antriebseinrichtung veränderbarer Leistung in Verbindung steht, und dass Mittel für die Zufuhr von Luft zur Mischung mit von der Vibrationsfläche (33) abgegebenen Brennstoffteilchen und eine Zündeinrichtung zum Auslösen einer Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemisches vorgesehen sind.
9. Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Luftablenkmittel (55) zum Erzeugen einer Drehbewegung in einem Teil der genannten Luft vor der Mischung mit dem Brennstoff vorgesehen sind.
10. Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündeinrichtung zwei benachbart zur Vibrationsfläche (33) angeordnete Zündelektroden (53), einen Flammendetektor (58) und eine zwischen den Flammendetektor (58) und die Antriebseinrichtung geschaltete Einrichtung enthält, welche die dem Antriebselement (14) zugeführte Leistung reduziert, wenn die Flamme erscheint, so dass die Zündelektroden (53) nach erfolgter Zündung ausserhalb der Umhüllungsfläche der Brennerflamme liegen.