CH639874A5

CH639874A5 - Method and appliance for electrostatic atomisation of liquids

Info

Publication number: CH639874A5
Application number: CH362079A
Authority: CH
Inventors: Ronald Alan Coffee
Original assignee: Ici Ltd
Priority date: 1978-04-17
Filing date: 1979-04-17
Publication date: 1983-12-15
Also published as: FR2423271A1; AU531759B2; IN150842B; US4962885A; IT7921791A0; IT1113881B; SU913923A3; CS216204B2; ZA791659B; NZ190138A; HU176541B; BE875649A; JPS637825B2; OA06238A; CA1140817A; AU4589379A; IL57098A0; FR2423271B1; IL57098A; NL7902774A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung zum Zerstäuben von Flüssigkeiten. Sie lässt sich besonders gut, jedoch nicht ausschliesslich, zum Besprühen von Nutzpflanzen sowie zum Farbspritzen verwenden.

Aus der DE-OS 2 731 712 ist eine Vorrichtung bekannt, die sich zur Bildung feiner Sprühnebel aus elektrisch geladenen Flüssigkeitsteilchen eignet. Sie besteht aus einer leitenden Düse, die auf ein Potential in der Grössenordnung von 1- 20 000 V geladen ist und in deren Nähe sich eine geerdete Elektrode befindet. Das sich zwischen der Düse und der geerdeten Elektrode bildende elektrische Feld ist so stark, dass hierdurch die der Düse zugeführte Flüssigkeit unter Bildung feiner Tröpfchen aus geladener Flüssigkeit zerstäubt wird. Das sich hierbei ausbildende elektrische Feld ist jedoch nicht so stark, dass es hierdurch unter entsprechend hohem Stromverbrauch zu einer Korona- bzw. Spitzenentladung kommt. Eine Ausführungsform der bekannten Vorrichtung ist ein Handsprühgerät für landwirtschaftliche Zwecke, das gegenüber den bekannten Handsprühgeräten, bei denen der jeweilige Sprühnebel mittels einer elektrisch angetriebenen rotierenden Scheibe gebildet wird, wesentliche Vorteile aufweist. Diese Vorteile bestehen in einem günstigeren Kraftverbrauch und somit einem sparsameren Umgang mit der Batterie, in einer besseren Zuverlässigkeit und Haltbarkeit wegen des Fehlens beweglicher Teile und insbesondere in der Bildung eines geladenen Sprühnebels, der von Nutzpflanzen angezogen wird und diese gleichförmiger bedeckt.

Die letztgenannte Eigenschaft kann in einigen Fällen auch von Nachteil sein. So ist beispielsweise gelegentlich die Bildung einer Tröpfchenwolke erforderlich, die auf die Nutzpflanzen treibt. In einem solchen Fall kann eine Wolke aus geladenen Tröpfchen evtl. zu leicht vom nächstliegenden Blattwerk angezogen werden, so dass die Nutzpflanzen nicht ausreichend durchdrungen werden.

Ein weiterer Vorteil des in der DE-OS 2 731 712 beschriebenen elektrostatischen Flüssigkeitszerstäubers besteht darin, dass sich mit ihm Teilchen eingestellter Grösse bilden lassen. Der mittlere Radius der durch diesen Flüssigkeitszerstäuber erzeugten Teilchen ist um so kleiner, je grösser deren Verhältnis von Ladung zu Masse ist. Der mittlere Teilchenradius lässt sich demnach durch Veränderung der Stärke des zerstäubenden Feldes steuern (was sich ganz einfach durch Veränderung der Spannung erreichen lässt). In einigen Fällen können jedoch Teilchen mit optimaler Grösse für eine bestimmte Anwendung zu hoch geladen sein. Dies kann zu starken Abstossungskräften zwischen den einzelnen Teilchen führen (so dass beispielsweise ein nichtleitendes Sprühziel keinen ausreichend starken Überzug erhält), oder es kann auch dazu führen, dass die besprühten Pflanzen an scharfen Stellen oder Kanten zu stark bedeckt sind. Zu entsprechenden Schwierigkeiten kann es auch bei anderen Anwendungsgebieten kommen.

Aus den obigen Gründen besteht fallweise die Notwendigkeit, durch elektrostatische Vernebelung gebildete Flüssigkeitströpfchen ganz oder teilweise zu entladen, und dies lässt sich erfindungsgemäss nun in einfacher Weise bewerkstelligen.

Erreicht wird dies erfindungsgemäss durch ein Verfahren, das durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angeführten Merkmale gekennzeichnet ist.

Das obige Verfahren wird durchgeführt unter Verwendung eines erfindungsgemässen elektrostatischen Flüssigkeitszerstäubers, der durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 2 angeführten Merkmale gekennzeichnet ist.

Häufig besteht der Wunsch nach einer Möglichkeit zur Steuerung des von der geerdeten Elektrode oder von geerdeten Elektroden induzierten Stroms, und somit des Aus-masses, in welchem die geladenen Tröpfchen entladen werden. Dies lässt sich auf verschiedene Weise erreichen, indem man beispielsweise den Abstand der scharfen oder spitzen Kanten von der Bahn der Tröpfchen oder ihre Stellung hierzu entsprechend verändert. Eine besonders einfache Möglichkeit hierzu besteht darin, die scharfen oder spitzen Kanten mit geerdeten Feldsteuerelektroden abzuschirmen, wobei die Kanten einstellbar zurückziehbar angeordnet sind, was sich beispielsweise durch einen entsprechenden Schraubmechanismus erreichen lässt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert. In ihr zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht der wesentlichen Bestandteile eines erfindungsgemässen elektrostatischen Flüssigkeitszerstäubers,

Fig. 2 einen Querschnitt der Zerstäuberdüse nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Seitenansicht einer Zerstäuberdüse mit Entladungsnadeln und Mantelelektroden,

Fig. 4 und 5 teilweise geschnittene Seitenansichten von

2

s io

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

639 874

Entladungsnadeln und Mantelelektroden in einer Schwachfeldstellung bzw. einer Starkfeldstellung,

Fig. 6 einen senkrechten Schnitt durch eine Zerstäuberdüse mit einer anderen Anordnung der Feldsteuerelektroden.

Der in Fig. 1 und 2 dargestellte elektrostatische Zerstäuber besitzt ein Gestell in Form eines Kunststoffrohres 1, das zur Aufnahme weiterer Teile des Zerstäubers eingerichtet ist. Im Kunststoffrohr 1 sind sechzehn 1,5 V-Batterien 2 vorhanden, die als elektrische Energiequelle dienen. An der Aussenseite des Rohrs 1 ist ein Gleichspannungswandler 3 befestigt, der die Batteriespannung in eine Hochspannung von 0-20 kV mit einer Stromstärke von 200 |iA umwandelt. Ferner ist an dem Batterierohr 1 ein Schalter 4 angebracht. Das Rohr 1 hat an seinem vorderen Ende ein Auge 5 mit Innengewinde, das zur Aufnahme einer Flasche 6 für die zu zerstäubende Flüssigkeit dient. Am Unterteil des Auges 5 ist der Oberteil eines rohrförmigen Verteilers 7 befestigt, der aus isolierendem Kunststoff besteht und an seinem unteren Ende eine Scheibe 8 (Fig. 2) aus dem gleichen Werkstoff trägt. Wie im einzelnen aus Fig. 2 hervorgeht, wird die Scheibe 8 von acht Kapillarröhrchen 9 aus Metall durchragt, welche die Zerstäuberdüse bilden. Die Kapillarröhrchen 9 sind mit einem blanken Metalldraht 10 verlötet, der seinerseits über eine Hochspannungsleitung 11 mit der Hochspannungsklemme des Spannungswandlers 3 verbunden ist.

Der Verteiler 7 wird von einem umgestülpten Topf 12 aus isolierendem Kunststoff umgeben. Am Rand des Topfes 12 befindet sich eine Feldsteuerelektrode 13 in Form eines Metallrings, die über eine Erdleitung 14 geerdet ist. In die Feldsteuerelektrode 13 sind drei Metallnadeln 15 integriert, die in einem gleichen Abstand voneinander um den Metallring herum angeordnet sind, die aussen längs der Achse des Verteilers 7 und zu dieser hin leicht geneigt gerichtet sind. Der Topf 12 kann unter Reibung längs der Verteilers 7 verschoben werden.

Zum Fertigmachen des Zerstäubers wird die Flasche 6 mit der zu zerstäubenden Flüssigkeit in das Auge 5 eingeschraubt, während der Zerstäuber umgekehrt wie in Fig. 1 gehalten wird. Danach wird der Zerstäuber wiederum umgedreht, so dass die Flüssigkeit in den Verteiler 7 eintreten und unter der Einwirkung der Schwerkraft aus den Kapillarröhrchen 9 heraustropfen kann.

Der Zerstäuber wird dann mittels des als Handgriff dienenden Rohrs 1 an die zu besprühenden Gegenstände herangeführt.

Durch Betätigung des Schalters 4 werden die Kapillarröhrchen 9 mittels des Spannungswandlers 3 gleichzeitig mit der gleichen Hochspannung versorgt. Dadurch wird die aus den Röhrchen austretende Flüssigkeit zerstäubt und elektrostatisch aufgeladen. Unter der Wirkung des elektrostatischen Feldes werden aus der geladenen Flüssigkeit kurze mobile Bänder gebildet, die an ihren Spitzen zu einem feinen Sprühnebel auseinanderbrechen. Während des Passierens des Sprühnebels an den Nadeln 15 vorbei wird der erzeugte Sprühnebel mit einem so hohen elektrischen Potential mit entgegengesetzter Ladung aufgeladen, dass es hierdurch zu einer Korona- bzw. Spitzenentladung von den Nadelspitzen auf den Sprühnebel kommt, wodurch die Ladung des Sprühnebels wesentlich erniedrigt oder in einigen Fällen sogar ganz beseitigt wird.

Wenn die Feldsteuerelektrode 13 über die Erdleitung 14 geerdet ist, bewirkt das elektrostatische Feld rund um die Kapillarröhrchen 9 eine Verbesserung der Zerstäubung und des Abstrahlwinkels, selbst wenn das Potential an der Zerstäubungsdüse nur etwa 10-15 kV beträgt, wobei es auf das Vorzeichen der Hochspannung nicht ankommt. Ferner beschränkt sich dank der engen Nachbarschaft der Feldsteuerelektrode 13 mit der Zerstäubungsdüse die aus dem Spannungswandler 3 entnommene Strommenge im wesentlichen auf den Ladungsaustausch zwischen den Kapillarröhrchen 9 und der zerstäubten Flüssigkeit und ist deshalb ausserordentlich gering.

Gewöhnlich beträgt die Ladungsdichte der zerstäubten Flüssigkeit etwa 5 x 10-3 Coulomb/1. Bei einem Flüssigkeitsverbrauch von beispielsweise 1 x 10~31/sek beträgt der Stromverbrauch also nur 5 x IO-6 A. Dies ergibt bei einer Hochspannung von 1 x IO4 V eine Ausgangsleistung von nur 5 x IO-2 W (50 mW). Bei diesem geringen Leistungsverbrauch kann die Lebensdauer der Batterien 2 Hunderte von Stunden betragen.

Um die Feldsteuerelektrode 13 ganz oder nahezu auf Erdpotential zu halten, muss die Erdleitung 14 tatsächlich den Boden oder einen anderen Körper geringen Potentials und hoher Kapazität berühren. Bei einem tragbaren Sprühgerät, wie in Fig. 1, reicht es aus, wenn man die Erdleitung 14 schleifen lässt, so dass sie dauernd oder jedenfalls von Zeit zu Zeit die Erde berührt.

Durch Verschieben des Topfes 12 längs des Verteilers 7 lässt sich die Lage des Feldsteuergliedes 13 hinsichtlich der Kapillarröhrchen 9 derart verändern, dass die besten Zerstäubungseigenschaften in Übereinstimmung mit der Potentialdifferenz zwischen dem Feldsteuerglied 13 und dem Kapillarröhrchen 9 sowie anderen Einflussgrössen, wie dem elektrischen Widerstand der Flüssigkeit, erreicht werden.

Der in den Fig. 1 und 2 gezeigte elektrostatische Flüssigkeitszerstäuber lässt sich zwar zur Bildung eines Sprühnebels verwenden, dessen Ladung verringert oder in einigen Fällen sogar auf nahezu null herabgesetzt ist, er kann jedoch nicht leicht entsprechend eingestellt werden. In Fig. 3 wird daher eine andere Form einer Zerstäubungsdüse gezeigt, bei der eine geerdete Feldsteuerelektrode 20 aus Metall drei Metallnadeln 21 zur Korona- bzw. Spitzenentladung trägt. Die Schäfte 22 dieser Nadeln 21 sind mit einem Gewinde versehen, und auf jedem Schaft 22 ist eine mit einem entsprechenden Gewinde versehene Metallhaube 23 mit U-för-migem Schnitt vorhanden. Die Metallhaube 23 kann so auf dem Schaft 22 nach unten geschraubt werden, dass der Rand der Metallhaube 23 der Spitze der Nadel 21 gegenüberliegt (wie in Fig. 4 gezeigt), oder die Metallhaube 23 lässt sich so weit auf dem Schaft 22 nach oben schrauben, dass die Spitze der Nadel 21 ziemlich weit aus der Metallhaube 23 herausragt (wie in Fig. 5 gezeigt), oder es lässt sich auf diese Weise auch jede dazwischenliegende Stellung einregulieren. Befinden sich die Metallhauben 23 in der aus Fig. 5 hervorgehenden Stellung, dann ist der Abschirmeffekt der Metallhauben 23 (Mantelelektroden) auf die Nadeln 21 vernachlässigbar, so dass der sich an den geladenen Kapillarröhrchen 19 (Fig. 3) bildende Sprühnebel beim Passieren der Spitzen der Nadeln 21 durch Korona- bzw. Spitzenentladung nahezu vollständig entladen wird. Befinden sich die Metallhauben 23 dagegen in der aus Fig. 4 hervorgehenden Stellung, dann ist der Abschirmeffekt praktisch vollständig, so dass es zu einer nur geringen oder überhaupt keiner Entladung des Sprühnebels kommt. Durch geeignete Einregulierung der Lage der Metallhauben 23 zwischen den aus den Fig. 4 und 5 hervorgehenden Stellungen lässt sich somit das Ausmass der Entladung des Sprühnebels entsprechend verändern.

Die den Fig. 3-5 entsprechenden Flüssigkeitszerstäuber ermöglichen somit in flexibler Weise den jeweiligen Wünschen entsprechend die Bildung eines sowohl ungeladenen als auch hochgeladenen Sprühnebels. Jede der drei Metallhauben 23 muss zu diesem Zweck jedoch getrennt eingestellt werden, was beim Gebrauch lästig sein kann. Dieses Problem lässt sich durch den aus Fig. 6 im senkrechten Schnitt hervorgehenden Zerstäubungskopf beseitigen. Dieser Zer-

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

639874

stäubungskopf besteht aus einem rohrförmigen Verteiler 30 aus Kunststoff, der 4 Kapillarröhrchen 31 aus Metall enthält, die an eine Hochspannungsquelle angeschlossen werden können. An der Aussenseite des Verteilers 30 ist eine auf Schiebesitz passende Innenhülse 32 angeordnet, die auf entsprechenden Streben 33 eine mit der Erde verbundene ringförmige und metallische Feldsteuerelektrode 34 enthält. Auf der Innenhülse 32 befindet sich dichtsitzend eine Aussenhül-se 35. Die Aussenhülse 35 enthält nichtgezeigte längliche Führungsnuten, in die entsprechende längliche Führungsfedern an der Innenhülse 32 eingreifen, so dass sich die Aussenhülse 35 in bezug auf die Innenhülse 32 zwar nach oben und unten bewegen lässt, eine Drehbewegung zwischen diesen beiden Bauelementen jedoch ausgeschlossen ist. Von der Aussenhülse 35 führen 4 geerdete Metallnadeln 36 nach unten in Bohrungen 37, die in der metallischen Feldsteuerelektrode 34 vorhanden sind. Betätigt.man die in Fig. 6 gezeigte Zerstäubungsdüse in der angegebenen Stellung, dann tritt aus den geladenen Kapillarröhrchen 31 Flüssigkeit aus, die durch das zwischen den Kapillarröhrchen 31 und der geerdeten Feldsteuerelektrode 34 herrschende Feld zu einem Band gezogen wird, welches anschliessend zu hochgeladenen Tröpfchen zerbricht. Die Tröpfchen strömen dann durch die Feldsteuerelektrode 34 an den Spitzen der Nadeln 36 vorbei, wodurch eine so hohe Ladung induziert wird, dass es an den Spitzen der Nadeln unter starker Erniedrigung der Ladung der Tröpfchen zu einer elektrischen Entladung kommt. Die Aussenhülse 35 lässt sich an der Innenhülse 32 gewünschten-falls so weit hochschieben, dass die Spitzen der Nadeln 36 in den Bohrungen 37 der Feldsteuerelektrode 34 abgeschirmt sind, wobei man dann zu einem hochgeladenen Sprühnebel gelangt.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform der Erfindung wird mit drei oder vier Nadeln gearbeitet, gewünsch-tenfalls können jedoch auch mehr oder weniger Nadeln vorhanden sein. Ein gewisses Ausmass an Entladung eines Sprühnebels lässt sich bereits mit einer einzigen Nadel erreichen. Es lassen sich auch schlitzförmige Zerstäubungsdüsen verwenden, bei denen ggf. ein Dutzend oder mehr Nadeln benötigt werden, die in einem regelmässigen Abstand voneinander angeordnet sind. Statt dessen lässt sich ggf. zur Entladung eines Sprühnebels auch eine klingenartige geer-5 dete Zerstäubungsdüse einsetzen.

Bei den erläuterten Ausgestaltungen sind alle Nadeln in einem regelmässigen Abstand voneinander um den Strömungsweg des Sprühnebels herum angeordnet. Dies ist jedoch nicht immer notwendig. Es lässt sich vielmehr auch mit io asymmetrisch angeordneten Nadeln eine teilweise entladene Sprühnebelwolke erzielen, deren einzelne Tröpfchen verschieden geladen sind. Dies kann beispielsweise beim Besprühen von Nutzpflanzen von Vorteil sein, wo man die beste Verteilung des Sprühnebels durch die Nutzpflanzen unter 15 Einsatz eines Gemisches aus ungeladenen und hochgeladenen Tröpfchen erhält. Eine Sprühnebelwolke gleicher Art lässt sich ferner auch durch Verwendung einer Zerstäubungsdüse erreichen, deren Nadeln in einem regelmässigen Abstand voneinander angeordnet sind und die einstell-20 bare Mantelelektroden aufweist, indem man nur einige Nadeln abschirmt und andere wiederum nicht.

Eine andere Methode zur Steuerung des Entladungsgrads von Sprühnebeltröpfchen besteht darin, dass man zwischen den Nadelelektroden und der Erde für einen hohen 25 Widerstand sorgt. Auf diese Weise wird der von der Elektrode aus der Erde aufgenommene induzierte Entladungsstrom erniedrigt, so dass sich auch das Ausmass der Entladung der Sprühnebelwolke verringert. Gestaltet man den hohen Widerstand variabel, dann lässt sich dasAusmass der 30 Sprühnebelentladung ohne weiteres entsprechend steuern. In einem solchen Fall braucht man die Nadelelektroden nicht getrennt von der Feldsteuerelektrode zu erden, da sonst das die Vernebelung hervorrufende Feld geschwächt wird.

In gewissen Fällen kann sich auch der Einsatz anderer 35 elektrischer Vorrichtungen (sowohl aktiver als auch passiver) zur Begrenzung des Entladungsstroms an den Spitzen der Nadelelektroden anbieten.

s

2 Blatt Zeichnungen

Claims

639 874

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum elektrostatischen Zerstäuben einer Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass man die Flüssigkeit durch elektrostatische Aufladung zerstäubt, die zerstäubte, aufgeladene Flüssigkeit längs eines Weges bewegt und die hierbei entstandenen elektrisch geladenen Teilchen durch eine ionische Entladung wenigstens teilweise entlädt, indem man die Teilchen an wenigstens einer geerdeten scharfkantigen oder spitzen Elektrode, die benachbart zum genannten Weg angeordnet ist, vorbeiführt.
2. Elektrostatischer Flüssigkeitszerstäuber zur Durchführung des Verfahrens gemäss Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (7) zum Transport einer Flüssigkeit an eine Zerstäubungsstelle; Mittel (2, 3,9,10, 11), um die an der Zerstäubungsstelle befindliche Flüssigkeit so stark aufzuladen, dass sie zu geladenen Tröpfchen zerstäubt und auf eine Bahn nach aussen geschleudert wird; und durch wenigstens eine dazu benachbarte geerdete Elektrode (15; 21; 36) mit spitzen Ecken oder scharfen Kanten, die in der Bahn oder längs der Bahn der Tröpfchen angeordnet ist.
3. Flüssigkeitszerstäuber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass er zur Verstärkung des elektrostatischen Feldes zur Zerstäubungsstelle benachbart weiter eine geerdete Feldsteuerelektrode (13; 20; 34) enthält.
4. Flüssigkeitszerstäuber nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede der spitzen Ecken oder scharfen Kanten der geerdeten Elektrode mit je einer Metallhaube (23) versehen ist.
5. Flüssigkeitszerstäuber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallhauben (23) derart einstellbar angeordnet sind, dass sich die spitzen Ecken oder scharfen Kanten verschieden stark abschirmen lassen.
6. Flüssigkeitszerstäuber nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die geerdete Elektrode (15; 21; 36) über einen hohen Widerstand mit der Erde verbunden ist.
7. Flüssigkeitszerstäuber nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand ein veränderbarer Widerstand ist.
8. Anwendung des Verfahrens nach Patentanspruch 1 zum Zerstäuben eines Pestizides.