DE10013451A1 - Vorrichtung zur Erzeugung momodisperser Tropfen - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung zur Erzeugung monodisperser Tropfen aus Flüssigkeiten weist einen Schwingungserzeuger (7) auf, der auf die in einem Zufuhrkanal (1) enthaltene Flüssigkeit einwirkt. Eine mit einer Düsenöffnung (6) versehene Düsenwand (5) schließt den Zufuhrkanal (1) ab. Der Schwingungserzeuger (7) weist einen längsbeweglichen Schwingstempel (8) auf, der mit einem piezoelektrischen Schwingungsaktuator (11) verbunden ist. Der Schwingungsaktuator (11) weist mindestens einen an beiden Enden (12) eingespannten Biegebalken (13) auf, dessen mittlerer Bereich (14) mit dem Schwingstempel (8) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung mo­ nodisperser Tropfen aus Flüssigkeiten, mit einem Schwin­ gungserzeuger, der auf die in einem Zufuhrkanal enthaltende Flüssigkeit einwirkt, mit einer den Zufuhrkanal abschlie­ ßenden, mindestens eine Düsenöffnung aufweisenden Düsen­ wand, wobei der Schwingungserzeuger einen auf die Flüssig­ keit einwirkenden, längs beweglichen Schwingstempel auf­ weist, der mit einem piezoelektrischen Schwingungsaktuator verbunden ist.

Derartige Vorrichtungen dienen dazu, monodisperse Tropfen und Sprays mit genau einstellbarem Tropfendurchmesser her­ zustellen. Die Monodispersität der Tropfen und Sprays ist durch die VDI-Richtlinie 3491 definiert. Monodisperse Sprays sind erforderlich, wenn sowohl das dynamische Ver­ halten der Spraytropfen als auch ihr Wärme- und Stoffaus­ tauschverhalten genau bestimmbar sein sollen. Dies ist eine wichtige Voraussetzung für eine Optimierung von Geräten und Anlagen, in denen Tropfen und aus Tropfen bestehende Sprays zum Einsatz kommen, beispielsweise Sprühtrocknungsanlagen und Feuerungen.

Besondere Schwierigkeiten bestehen beim Einsatz solcher Vorrichtungen bei hochdissipativen Flüssigkeiten, bei­ spielsweise Flüssigkeiten mit hoher Viskosität, insbesonde­ re im Frequenzbereich von 5-300 kHz. Hierbei wird ein großer Teil der in die Flüssigkeit eingebrachten Schwin­ gungsenergie dissipiert und steht daher nicht zur Trop­ fenerzeugung zur Verfügung.

Bei einer bekannten Vorrichtung der eingangs genannten Gat­ tung (DE-OS 39 12 524) wird als piezoelektrischer Schwin­ gungsaktuator ein Quarzkristall-Druckaufnehmer verwendet, dessen durch elektrische Spannungseinwirkung erzeugte Län­ genänderung auf den in die Zufuhrkammer der Flüssigkeit ra­ genden Schwingstempel einwirkt. Damit ist nur ein verhält­ nismäßig geringer Energieeintrag in die Flüssigkeit mög­ lich, so daß eine hochdissipative Flüssigkeit nicht in er­ forderlichem Maße zu einem Zerfall in monodisperse Tropfen angeregt werden kann. Insbesondere ist es zur Verringerung der Dissipationswirkung erforderlich, im Zufuhrkanal einen möglichst geringen Abstand zwischen dem Schwingstempel und der Düsenöffnung einzuhalten, da anderenfalls ein noch stärkerer Energieverlust in der Flüssigkeit eintritt. Der Einsatz dieser bekannten Vorrichtung ist daher nicht für Anwendungsbereiche möglich, in denen aus konstruktiven Gründen oder aus anderen, verfahrenstechnischen Gründen ein größerer Abstand zwischen dem Schwingungserzeuger und der die Düsenöffnung aufweisenden Düsenwand erwünscht ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung so auszubilden, daß auch bei hochdissipativen Flüssigkeiten und/oder größerem Abstand zwischen dem Schwingungserzeuger und der Düsenöffnung die Erzeugung monodisperser Tropfen ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der piezoelektrische Schwingungsaktuator mindestens einen an seinen beiden Enden eingespannten Biegebalken aufweist, dessen mittlerer Bereich mit dem Schwingstempel verbunden ist.

Der piezoelektrische Schwingungsaktuator ist als sog. Crossbow-Aktuator ausgeführt. Im Vergleich zu piezoelektri­ schen Schwingungsaktuatoren anderer Bauart weisen diese Crossbow-Aktuatoren in ihrem mittleren Bereich schon bei verhältnismäßig geringer elektrischer Spannung sehr hohe Auslenkungen auf, so daß es möglich wird, verhältnismäßig hohe Schwingungsenergie in die Flüssigkeit im Zufuhrkanal einzuleiten. Auch bei Flüssigkeiten, in denen eine starke Dissipation der eingeleiteten Energie auftritt und/oder bei verhältnismäßig großen den Energieverlust innerhalb der Flüssigkeit begünstigenden Abständen zwischen dem Schwin­ gungserzeuger und der Düsenöffnung steht hierbei an der Dü­ senöffnung noch ausreichende Schwingungsenergie zur Verfü­ gung, um einen Zerfall des austretenden Flüssigkeitsstrahls in monodisperse Tropfen zu erreichen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der Biegebalken des piezoelektrischen Ak­ tuators aus mindestens einem Trägerbalken und einem darauf angebrachten, piezoelektrischen Element besteht, das unter elektrischem Spannungseinfluß eine Längenänderung ausführt. Diese Bauart von piezoelektrischen Aktuatoren liefert im Vergleich zu anderen piezoelektrischen Aktuatoren bei glei­ cher elektrischer Spannungseinwirkung eine um mehrere Grö­ ßenordnungen größere Auslenkung im mittleren Bereich.

Vorzugsweise weist der piezoelektrische Schwingungsaktuator mehrere parallele Biegebalken auf, die jeweils an ihren beiden eingespannten Enden und in ihrem mittleren Bereich miteinander verbunden sind. Dies ergibt eine weitere Stei­ gerung der verfügbaren Schwingungsenergie.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedan­ kens sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt:

Fig. 1 in einem Längsschnitt eine Vorrichtung zur Erzeugung monodisperser Tropfen,

Fig. 2 in einer vergrößerten Teilansicht den piezoelektri­ schen Schwingungsaktuator der Vorrichtung nach Fig. 1 und

Fig. 3 in einem Teilschnitt ähnlich der Fig. 1 eine abge­ wandelte Ausführungsform der Vorrichtung.

Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung dient zur Erzeugung mo­ nodisperser Tropfen aus einer Flüssigkeit, die einem Zu­ fuhrkanal 1 in einem Gehäuse 2 durch eine Leitung 3 zuge­ führt wird. Der Zufuhrkanal 1 setzt sich in einem in das Gehäuse 2 eingeschraubten Düsenrohr 4 fort und ist an sei­ nem Ende durch eine Düsenwand 5 abgeschlossen, in der eine Düsenöffnung 6 ausgebildet ist. Die zugeführte Flüssigkeit tritt aus der Düsenöffnung 6 in einem laminaren Strahl aus. Durch Schwingungsenergie, die auf die Flüssigkeit im Zu­ fuhrkanal 1 einwirkt, wird der aus der Düsenöffnung 6 aus­ tretende Flüssigkeitsstrahl in monodisperse Tropfen zer­ legt. Die Vorrichtung ist insbesondere für den Einsatz im Frequenzbereich von 5-300 kHz geeignet.

Zur Schwingungserzeugung ist an das Gehäuse 2 ein Schwin­ gungserzeuger 7 angeschlossen. Er weist einen Schwingstem­ pel 8 auf, der durch eine elastische Dichtung 9 und eine Buchse 10 in den Zufuhrkanal 1 ragt. Das andere Ende des Schwingstempels 8 ist mit einem piezoelektrischen Schwin­ gungsaktuator 11 verbunden. Der Schwingungsaktuator 11 weist mindestens einen an seinen beiden Enden 12 gehäuse­ fest eingespannten Biegebalken 13 auf, dessen mittlerer Be­ reich 14 mit dem Schwingstempel 8 verbunden ist.

Wie in Fig. 2 in Einzelheiten dargestellt, besteht der pie­ zoelektrische Schwingungsaktuator 11 beim dargestellten Ausführungsbeispiel aus zwei parallelen Biegebalken 13, die jeweils an ihren beiden eingespannten Enden 12 und in ihrem mittleren Bereich 14 miteinander verbunden sind. Jeder Bie­ gebalken 13 des piezoelektrischen Aktuators 11 besteht aus einem flachen, länglichen Trägerbalken 15 und einem darauf angebrachten, piezoelektrischen Element 16, das beispiels­ weise mehrlagig aufgebaut ist und unter elektrischem Span­ nungseinfluß eine Längenänderung ausführt. Elektrische An­ schlüsse 17 liegen im mittleren Bereich 14 der piezoelek­ trischen Elemente 16 an.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ragt der Schwingstempel 8 mit seinem dem Schwingungsaktuator 11 abgekehrten Ende 8a in den Zufuhrkanal 1, so daß eine un­ mittelbare Einleitung der erzeugten Schwingungsenergie in die Flüssigkeit erfolgt.

Abweichend hiervon ist beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 vorgesehen, daß der Schwingstempel 8 mit seinem dem Schwin­ gungsaktuator 11 abgekehrten Ende 8a mit einer eine Wand des Zufuhrkanals 1 bildenden Membran 18 verbunden ist, durch deren Schwingungsbewegung die Schwingungsenergie in die Flüssigkeit eingeleitet wird.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Erzeugung monodisperser Tropfen aus Flüssigkeiten, mit einem Schwingungserzeuger, der auf die in einem Zufuhrkanal enthaltende Flüssigkeit ein­ wirkt, mit einer den Zufuhrkanal abschließenden, minde­ stens eine Düsenöffnung aufweisenden Düsenwand, wobei der Schwingungserzeuger einen auf die Flüssigkeit ein­ wirkenden, längs beweglichen Schwingstempel aufweist, der mit einem piezoelektrischen Schwingungsaktuator ver­ bunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Schwingungsaktuator (11) minde­ stens einen an beiden Enden eingespannten Biegebalken (13) aufweist, dessen mittlerer Bereich (14) mit dem Schwingstempel (8) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegebalken (13) des piezoelektrischen Aktuators (14) aus mindestens einem Trägerbalken (15) und einem darauf angebrachten, piezoelektrischen Element (16) be­ steht, das unter elektrischem Spannungseinfluß eine Län­ genänderung ausführt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Schwingungsaktuator (11) mehrere parallele Biegebalken (13) aufweist, die jeweils an ihren beiden eingespannten Enden (12) und in ihrem mittle­ ren Bereich (14) miteinander verbunden sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingstempel (8) mit seinem dem Schwingungsak­ tuator (11) abgekehrten Ende (8a) in den Zufuhrkanal (1) ragt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingstempel (8) mit seinem dem Schwingungsak­ tuator (11) abgekehrten Ende (8a) mit einer eine Wand des Zufuhrkanals (1) bildenden Membran (18) verbunden ist.