DE102004026725A1

DE102004026725A1 - Modulares Düsensystem zur Erzeugung von Tropfen aus Flüssigkeiten unterschiedlicher Viskosität

Info

Publication number: DE102004026725A1
Application number: DE102004026725A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr. Pommersheim
Original assignee: CAVIS MICROCAPS GmbH
Current assignee: CAVIS MICROCAPS GmbH
Priority date: 2004-05-28
Filing date: 2004-05-28
Publication date: 2005-12-15
Also published as: US20080277502A1; WO2005118150A1; EP1753540A1; JP2008500155A; CA2566881A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein modular aufgebautes Düsensystem, mit dessen Hilfe Tropfen aus Flüssigkeiten unterschiedlicher Viskosität erzeugt werden können. Kernstück der Erfindung sind Mehrfachanordnungen von Einzeldüsen ohne bewegte Teile, die untereinander in Verbindung stehen und Einzelmodule bilden. Dieser Aufbau ermöglicht ein einfaches Erweitern und Anpassen des Systems, wodurch eine maximale Flexibilität gewährleistet wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein modular aufgebautes Düsensystem mit dessen Hilfe Tropfen aus Flüssigkeiten unterschiedlicher Viskosität erzeugt werden können. Kernstück der Erfindung sind Mehrfachanordnungen von Einzeldüsen ohne bewegte Teile, die untereinander in Verbindung stehen und Einzelmodule bilden. Dieser Aufbau ermöglicht ein einfaches Erweitern und Anpassen des Systems wodurch eine maximale Flexibilität gewährleistet wird.
In der technologischen Praxis ist es häufig erforderlich, Einzeltropfen aus verschiedenen Flüssigkeiten zu erzeugen. Die einfachste und verbreitetste Methode dies zu erreichen ist das Versprühen mittels geeigneter Düsen. Solche Düsen werden in einer sehr großen konstruktiven Vielfalt kommerziell angeboten. Die Palette reicht vom einfachen Brausenkopf oder Rasensprenger bis hin zu den Hightech Entwicklungen aus den Bereichen Maschinenbau oder Farben und Lacke. Alle diese System sind so konstruiert, das sie einen Sprühnebel oder zumindest einen Sprühstrahl erzeugen, der aus unzähligen Tropfen besteht, die jedoch einzeln weder beeinflussbar noch näher definierbar sind.
Will man jedoch genau definierte Tropfen erzeugen, um auf diese Weise durch chemisches oder physikalisches Aushärten sphärische Partikel zu erhalten, sind die o.g. Systeme aufgrund ihrer Ungenauigkeit im Hinblich auf die generierten Einzeltropfen unbrauchbar. Für solche Zwecke werden Anordnungen eingesetzt, die in der Lage sind, präzise Flüssigkeitsstrahlen zu erzeugen, die nachträglich in Einzeltropfen definierter Größen aufgelöst werden.
Bei all diesen Systemen werden die Flüssigkeitsstrahlen durch Pressen der flüssigen Ausgangsstoffe durch Kapillaröffnungen erzeugt. Unterschiede tauchen lediglich bei den Verfahren auf, durch die diese Strahlen in Einzeltropfen zerlegt werden.
Die Methoden hierfür können in zwei große Gruppen unterteilt werden:

1. Verfahren bei denen der Flüssigkeitsstrahl außer seiner axialen auch noch andere Bewegungen wie Rotation oder Schwingung erfährt und
2. Verfahren bei denen der Flüssigkeitsstrahl außer seiner axialen Fließbewegung keine zusätzliche Bewegung erfährt.

Bei der ersten Kategorie wird der Strahl durch Zentrifugalkräfte bzw. durch Resonanzschwingungen aufgelöst, bei der zweiten durch die axiale Einwirkung zusätzlicher in der Regel gasförmiger Medien. Die vorliegende Erfindung reiht sich die zweite Gruppe ein.

In der Fachliteratur findet man an vielen Stellen Systeme, die der Erzeugung von Einzeltropfen aus Flüssigkeiten mittels Kapillaren dienen. Nachfolgend seien nur zwei stellvertretend erwähnt.

1. Die Zweistoffdüse

F. Lim und A. Sun beschreiben beispielsweise in der Zeitschrift „Science Band 210, Seiten 908-910, Jahrgang 1980 eine Düse, bei der die Tropfen eines durch eine Kapillare gepressten Flüssigkeitsstrahls, über einen dazu konzentrisch geführten Luftstrom abgerissen werden. Man erhält so Tropfengrößen zwischen ca. 200 μm und ca. 2 mm mit einer sehr engen Größenverteilung. In dieser Veröffentlichung geht es jedoch in erster Linie um einen Laboraufbau mit sehr geringem Durchsatz der für technische Anwendungen vollkommen ungeeignet ist.

2. Die Vibrationsdüse

Ein anderes Verfahren zur Tropfenerzeugung ist jenes, das in der Patentanmeldung DE 3836894 beschrieben wird. Hier werden mehrere Kapillaren in Schwingung versetzt, was zu einem Zerteilen der Flüssigkeitsstrahlen in Einzeltropfen führt. Die erhaltenen Tropfen haben auch hier Durchmesser zwischen ca. 200 μm und ca. 2 mm, wobei die Produktivität deutlich höher als bei den o.g. Düsen ist, jedoch bei einer viel breiteren Größenverteilung. Das System erfordert bei jeder neuen Anwendung eine Neujustierung da die Resonanzfrequenz für den Tropfenabriss immer neu eingestellt werden muss. Derzeit gibt es technische Verfahren, die Düsen verwenden, die nach dem o.g. Prinzip funktionieren. So bietet beispielsweise die deutsche Firma BRACE aus Alzenau bei Frankfurt/Main derartige Systeme für den industriellen Einsatz an.

Ausgehend von dieser Sachlage liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Düsensystem zu beschreiben, das aufgrund seines modularen Aufbaus in der Lage ist, aus Flüssigkeiten unterschiedlicher Viskosität Tropfen in einem weiten Großenbereich mit einer engen Verteilung in Mengen herzustellen, die für eine technische Produktion geeignet sind. Das System funktioniert nach dem Prinzip der Zweistoffdüse und kommt somit ohne bewegte Teile und ohne aufwändige Einstellungen der Parameter für die Tropfenerzeugung aus.

Erfindungsgemäß besteht das System aus sogenannten Einzelköpfen (EK), die zu Einzelanordnungen (EA) zusammengefügt werden können. Diese Einzelanordnungen können ihrerseits zu sogenannten Mehrfachanordnungen (MA) vereint werden. Jede dieser Mehrfachanordnungen kann in ähnlicher Weise selbst eine Einzelanordnung in einer noch größeren Mehrfachanordnung sein. Auf diese Weise kann das Düsensystem je nach Bedarf beliebig erweitert werden ohne dass sich die physikalischen oder strömungstechnischen Gegebenheiten in dem System selbst grundlegend verändern. Die einzelnen Komponenten sind weitestgehend Drehteile die aus geeigneten Materialien wie z.B. Edelstahl, Kunststoff, Keramik usw. gefertigt werden können. Die Düsen können beheizt werden und sind somit nicht nur für das Vertropfen von Lösungen sondern auch von Schmelzen geeignet.

1 zeigt den Aufbau eines Einzelkopfes (EK), der den Grundbaustein des Düsensystems bildet. Ein solcher Einzelkopf kann sowohl alleine als auch im Verbund mit anderen Einzelköpfen eingesetzt werden. Setzt man ihn alleine ein, muss zusätzlich zu dem in 1 gezeigten Aufbau der Kopf mit einer geeigneten Abdeckplatte nach oben hin verschlossen werden. Diese Platte bewirkt die Entstehung einer geschlossen Kammer im oberen Teil von A1 und trägt die Anschlüsse für die Flüssigkeit und das Gas.
Der Einzelkopf ist im Grunde eine Mehrfachanordnung von sogenannten Zweistoffdüsen. Dies können beispielsweise 4; 8; 16; 32 usw. Einzeldüsen sein. Das Funktionsprinzip der Zweistoffdüse ist literaturbekannt. Erfindungsgemäß wurden sie jedoch so modifiziert, dass die einzelnen Zweistoffdüsen im Inneren eines Einzelkopfes über gemeinsame Kanäle für die Flüssigkeit und auch das Gas miteinander in Verbindung stehen. Auf diese Weise werden zusätzliche Zuleitungen vermieden was die Zuverlässigkeit und die Wartungsfreundlichkeit erhöht.
Der Einzelkopf besteht aus folgen Hauptkomponenten:

– einem Verteilkörper für die Flüssigkeit A1 mit eingearbeiteten Kapillaren Kap
– einer Trennplatte A2, durch die die Kapillaren und das Gas mittels geeigneter Öffnungen hindurch geführt werden.
– einem Verteilkörper für das Gas A3 mit Austrittsöffnungen für das Gas und die flüssigkeitsführenden Kapillaren
– Dichtungen Di1; Di2 usw.

Die Teile sind miteinander verschraubt wodurch der Einzelkopf leicht zerlegt werden kann. Er funktioniert wie folgt:
Das zu vertropfende Material wird über geeignete Zuleitungen in die Verteilkammer der Körpers A1 befördert. Dies kann beispielsweise mittels Druck oder Pumpen geschehen. Es muss in jedem Fall gewährleistet sein, dass die Flüssigkeit dem Kopf in einem gleichmäßigen Fluss zugeführt wird. Im Inneren der Kammer wird die Flüssigkeit auf die einzelnen Kapillaren verteilt und durch den hier herrschen Druck durch diese gepresst. Dadurch entsteht aus jeder Kapillare am unteren Düsenende ein Flüssigkeitsstrahl.
Zeitgleich wird über einen Kanal in der Wandung des Kopfes und über eine Öffnung in der Trennplatte A2 ein Gas in die Verteilkammer des Körpers A3 geleitet, das über entsprechende Kanäle gleichmäßig den Austrittsöffnungen in A3 zugeführt wird. Im Zentrum der Austrittsöffnungen befinden sich die flüssigkeitsführenden Kapillaren. Auf diese Weise entsteht an jeder Kapillare ein konzentrischer Luftstrom. Dieser Luftstrom bewirkt einen definierten Tropfenabriss wobei die Tropfengröße im umgekehrten Verhältnis zum Luftstrom steht.
2 zeigt in welcher Weise die Einzelköpfe aus 1 zu einer Einzelanordnung (EA) zusammengefügt werden können. Eine Einzelanordnung kann beispielsweise 4; 6; 8 usw. Einzelköpfe beinhalten. Die Einzelanordnung besteht aus folgenden Teilen:

– einer Abdeckplatte B1, die die Anschlüsse für die Flüssigkeit und das Gas trägt
– einer Verteilerplatte B2 an deren Ober- und Unterseite Kanäle für die Flüssigkeit und das Gas eingefräst sind
– einer Deckplatte für die Einzelköpfe B3 mit geeigneten Öffnungen für die Flüssigkeit und das Gas
– Dichtungen D1; D2
– einer Grundplatte B4 für die Aufnahme der Einzelköpfe EK

Die Einzelanordnung EA funktioniert wie folgt:
Über die Anschlüsse in der Abdeckplatte B1 wird die Flüssigkeit und das Gas den Kanälen in der Verteilerplatte B2 zugeführt. Diese Kanäle sind strahlenförmig angeordnet, leiten die beiden Medien an die geeigneten Stellen der Einzelköpfe und verteilen diese gleichmäßig auf alle Einzelköpfe. Durch entsprechende Bohrungen in der Deckplatte B3 wird sichergestellt, dass sowohl die Flüssigkeit als auch das Gas an die dafür vorgesehenen Stellen der Einzelköpfe gelangen. Auf diese weise werden die Einzelköpfe versorgt und können wie bei 1 beschrieben funktionieren.
Die Grundplatte B4 dient der Aufnahme der Einzelköpfe EK und der Befestigung der Einzelanordnung EA auf der Grundplatte einer Mehrfachanordnung oder in einer Maschine.
In 3 ist eine Mehrfachanordnung dargestellt. Im Grunde ist sie wie die in 2 dargestellte Einzelanordnung aufgebaut und funktioniert auch in gleicher Weise. Der einzige Unterschied zur Einzelanordnung besteht darin, dass die Einzelköpfe EK hier durch ganze Einzelanordnungen EA ersetzt wurden. Dementsprechend besteht die Mehrfachanordnung aus:

– einer Abdeckplatte C1, die die Anschlüsse für die Flüssigkeit und das Gas trägt
– einer Verteilerplatte C2 an deren Ober- und Unterseite Kanäle für die Flüssigkeit und das Gas eingefräst sind
– einer Deckplatte für die Einzelköpfe C3 mit geeigneten Öffnungen für die Flüssigkeit und das Gas
– Dichtungen D11; D21
– Grundplatte C4 für die Aufnahme der Einzelanordnungen EA

Die Mehrfachanordnung MA funktioniert analog der Einzelanordnung EA:
Über die Anschlüsse in der Abdeckplatte C1 wird die Flüssigkeit und das Gas den Kanälen in der Verteilerplatte C2 zugeführt. Diese Kanäle sind strahlenförmig angeordnet, leiten die beiden Medien an die geeigneten Stellen der Einzelanordnungen und verteilen diese gleichmäßig auf alle Einzelanordnungen. Durch entsprechende Bohrungen in der Deckplatte C3 wird sichergestellt, dass sowohl die Flüssigkeit als auch das Gas an die dafür vorgesehenen Stellen der Einzelanordnungen gelangen. Auf diese weise werden die Einzelanordnungen versorgt und können wie bei 2 beschrieben funktionieren.
Die Grundplatte C4 dient hier der Aufnahme der Einzelanordnungen und der Befestigung der Mehrfachanordnung MA auf der Grundplatte einer größeren Mehrfachanordnung oder in einer Maschine.

Claims

Modulates Düsensystem zur Vertropfung von Flüssigkeiten unterschiedlicher Viskosität, das aus mehreren speziell angeordneten Kapillaren besteht, durch die die zu vertropfende Flüssigkeit gepresst wird und an deren Austrittsöffnung der Tropfenabriss über einen Luftstrom erfolgt, der konzentrisch zu den einzelnen Kapillaren geleitet wird, dadurch gekennzeichnet dass die Kapillaren in sogenannten Einzelköpfen gruppiert und miteinender verbunden sind.
Modulates Düsensystem zur Vertropfung von Flüssigkeiten unterschiedlicher Viskosität nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet dass, die Einzelköpfe gemäß 1 aufgebaut sind und mehrere der folgenden Komponenten aufweisen: – Verteilkörper mit Kammer für die zu vertropfende Flüssigkeit mit Kapillaren – Kapillaren die radial angeordnet sind – Trennplatte mit Öffnung für das Gas und Durchführungen für die Kapillaren – Verteilkörper für das Gas mit Austrittsöffnungen für die Kapillaren und das Gas – Dichtungen
Modulates Düsensystem zur Vertropfung von Flüssigkeiten unterschiedlicher Viskosität nach Anspruch 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet dass im Inneren der Einzelköpfen die Kapillaren untereinander in Verbindung stehen und die Gasautrittsöffnungen in deren Zentrum sich die Kapillaren befinden auch durch Kanäle miteinander verbunden sind.
Modulates Düsensystem zur Vertropfung von Flüssigkeiten unterschiedlicher Viskosität nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet dass die Einzelköpfe zu sogenannten Einzelanordnungen zusammengefügt werden können, die gemäß 2 aufgebaut, angeordnet und/oder miteinander verbunden und mehrere der folgenden Komponenten aufweisen: – Abdeckplatte mit Anschlüssen für die zu vertropfende Flüssigkeit und das Gas – Verteilerplatte mit Kanälen für die zu vertropfende Flüssigkeit und das Gas – Deckplatte für die Einzelköpfe mit entsprechenden Bohrungen für die zu vertropfende Flüssigkeit und das Gas – Grundplatte für die Aufnahme von Einzelköpfen – Dichtungen
Modulares Düsensystem zur Vertropfung von Flüssigkeiten unterschiedlicher Viskosität nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet dass die Einzelanordnungen zu sogenannten Mehrfachanordnungen zusammengefügt werden können, die gemäß 3 aufgebaut, angeordnet und/oder miteinander verbunden sind und mehrere der folgenden Komponenten aufweisen: – Abdeckplatte mit Anschlüssen für die zu vertropfende Flüssigkeit und das Gas – Verteilerplatte mit Kanälen für die zu vertropfende Flüssigkeit und das Gas – Deckplatte für die Einzelköpfe mit entsprechenden Bohrungen für die zu vertropfende Flüssigkeit und das Gas – Grundplatte für die Aufnahme von Einzelenordnungen – Dichtungen
Modulares Düsensystem zur Vertropfung von Flüssigkeiten unterschiedlicher Viskosität nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet dass die Mehrfachanordnungen ihrerseits als Einzelanordnungen in einer noch größeren Mehrfachanordnung sein können.
Modulares Düsensystem zur Vertropfung von Flüssigkeiten unterschiedlicher Viskosität nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die gebildeten Tropfen chemisch, z.B. durch den Einfluss von Salzen gefällt werden können.
Modulares Düsensystem zur Vertropfung von Flüssigkeiten unterschiedlicher Viskosität nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die gebildeten Tropfen physikalisch, z.B. durch Temperaturänderung gefällt werden können.
Modulares Düsensystem zur Vertropfung von Flüssigkeiten unterschiedlicher Viskosität nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die gefällten Tropfen zu immobilisierendes Material enthalten.