DE102006012389A1

DE102006012389A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit

Info

Publication number: DE102006012389A1
Application number: DE102006012389A
Authority: DE
Inventors: Stephan Prof. Dr. Herminghaus
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 2006-03-17
Filing date: 2006-03-17
Publication date: 2007-09-20
Also published as: WO2007107280A1; EP1996339A1; US20090078785A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Zerstäubung mindestens einer Flüssigkeit (1) mit einer Zerstäubereinrichtung (10), die mindestens einen Ringspalt (11) aufweist, beschrieben, mit den Schritten Austritt der Flüssigkeit (1) durch den mindestens einen Ringspalt (11) in einen Zerstäuberraum (20), wobei mindestens eine Verengung des Ringspalts (11) erzeugt wird, die am mindestens einen Ringspalt (11) umläuft, und Zerfall der Flüssigkeit (1) im Zerstäuberraum (20) mit einem Abstand vom mindestens einen Ringspalt (11) in Flüssigkeitstropfen (2). Es wird auch eine Zerstäubereinrichtung (10) zur Durchführung des Verfahrens beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zerstäubung einer Flüssigkeit, bei dem ein Flüssigkeitsstrom in einem Zerstäuberraum in Flüssigkeitstropfen zerfällt, und eine Zerstäubereinrichtung für Flüssigkeiten zur Durchführung des Verfahrens.

Die Zerstäubung von Flüssigkeiten ist bei vielen technischen Prozessen, z.B. in der chemischen Verfahrenstechnik, in der Medizintechnik, in der Beschichtungstechnik und beim Betrieb von Brennkraftmaschinen oder auch von Schneekanonen von Interesse. In der Praxis sind verschiedene Typen von Zerstäubereinrichtungen bekannt, die sich in Bezug auf die Art der Formung des Flüssigkeitsstrahls beim Austritt aus der Zerstäubereinrichtung, die Homogenität und die Geschwindigkeit der Zerstäubung unterscheiden. Es kann zum Beispiel eine einzelne Strahldüse, wie bei einem medizinischen oder kosmetischen Spray-Dispenser, ein Düsenarray, wie bei einem Tintenstrahldrucker oder einem Zerstäuber gemäß US 5 248 087 , oder ein Ringspalt, wie in einem Mikroventil gemäß EP 778 924 vorgesehen sein.

Die herkömmlichen Zerstäubungstechniken haben den allgemeinen Nachteil, dass sie entweder für eine homogene, enge Größenverteilung der Flüssigkeitstropfen oder für einen hohen Flüssigkeitsdurchsatz ausgelegt sind. Beispielsweise bestehen bei einem herkömmlichen Tintenstrahldrucker hohe Anforderungen in Bezug auf die Homogenität der Tropfengröße, wobei jedoch die pro Zeiteinheit erzeugte Tropfenmenge begrenzt ist. Andererseits können mit einem Farbspray einer Lackieranlage große Flüssigkeitsmengen zerstäubt werden, bei denen geringere Anforderungen an die Homogenität der Tropfengröße bestehen.

Es sind jedoch keine Zerstäubungseinrichtungen bekannt, mit denen die Anforderungen an die Zerstäubungsgeschwindigkeit und die Homogenität der Tropfen in gleicher Weise erfüllbar sind. So müssen bei Brennkraftmaschinen große Flüssigkeitsmengen zerstäubt werden. Zum Beispiel in der Gasturbine eines Flugzeugs muss der Treibstoff mit einer Zerstäubungsrate von z.B. 100 ml/s als feiner Nebel in die Brennkammer der Gasturbine eingebracht werden. Andererseits ist es für einen hohen Wirkungsgrad im Verbrennungsprozess und einen möglichst geringen Schadstoffausstoß wichtig, dass die Flüssigkeitstropfen eine möglichst gleichmäßige Größe aufweisen. Ähnliche Probleme gibt es beim Betrieb von Hochleistungs-Tintenstrahldruckern oder bei der Verwendung von Tropfenemulsionen in der chemischen Verfahrenstechnik, z.B. für die Synthese von Nanopartikeln.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, verbesserte Verfahren und Vorrichtungen bereitzustellen, mit denen die Nachteile der herkömmlichen Techniken überwunden werden und die insbesondere ermöglichen, Flüssigkeitstropfen mit einer erhöhten Zerstäubungsrate bei gleichzeitig verbesserter Homogenität der Tropfengröße zu erzeugen.

Diese Aufgabe wird durch ein Zerstäubungsverfahren oder eine Zerstäubungseinrichtung mit den Merkmalen der Ansprüche 1 oder 12 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Verfahrensbezogen beruht die Erfindung auf der allgemeinen technischen Lehre, mindestens eine Flüssigkeit durch mindestens einen Ringspalt zu pressen, an dem eine wiederholt um laufende Verengung erzeugt wird. Die am Ringspalt in einen freien Zerstäuberraum austretende Flüssigkeit bildet eine schlauchförmige Flüssigkeitsschicht (Lamelle), die im Zerstäuberraum mit einem Abstand vom Ringspalt in Flüssigkeitstropfen zerfällt. Der Zerfall erfolgt, ohne dass die Flüssigkeit eine feste Oberfläche im Zerstäuberraum berührt. Der Zerfall in Flüssigkeitstropfen wird im Unterschied zu herkömmlichen Zerstäubern mit einem Ringspalt durch die umlaufende Verengung am Ringspalt mit einem vorbestimmten Muster gebildet. Mit der umlaufenden Verengung wird der Flüssigkeitsschicht ein spiralförmiger Instabilitätsbereich aufgeprägt, an dem im Zerstäuberraum eine Abschnürung der Flüssigkeitsschicht erfolgt, so dass ein spiralförmiger Flüssigkeitsstrahl (Flüssigkeitsstrang) gebildet wird. Der spiralförmige Flüssigkeitsstrahl zerfällt dann auf der Grundlage der sogenannten Rayleigh-Instabilität in einzelne Flüssigkeitstropfen.

Vorrichtungsbezogen wird die o. g. Aufgabe entsprechend durch eine Zerstäubereinrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit gelöst, die mindestens einen Ringspalt und eine Antriebseinrichtung zur Erzeugung der mindestens einen, am Ringspalt umlaufenden Verengung aufweist.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht in der Kombination des Flüssigkeitsaustritts aus dem Ringspalt mit der Destabilisierung der austretenden Flüssigkeitsschicht durch die umlaufende Verengung des Ringspalts. Die Verwendung des Ringspalts ermöglicht einen im Unterschied zum herkömmlichen Düsenarray erhöhten Flüssigkeitsdurchsatz und daher eine erhöhte Zerstäubungsrate. Die Destabilisierung der Flüssigkeitsschicht durch die umlaufende Verengung ergibt den Rayleigh-Zerfall des spiralförmigen Flüssigkeitsstrahls in Trop fen gleicher Größe, was vor der Erfindung nur mit geraden, linienhaften Flüssigkeitsstrahlen erzielt wurde.

Die Erzeugung einer umlaufenden Verengung am Ringspalt bedeutet, dass die radiale Breite des Ringspalts lokal begrenzt einer wiederholten, vorzugsweise periodischen Variation unterzogen wird, die als eine Schwingung mit einer vorbestimmten Amplitude und einer stetig im Spalt umlaufenden Phase beschrieben wird. Die Verengung tritt nicht in allen Raumrichtungen gleichzeitig, sondern mit der Phasenverschiebung in aufeinanderfolgend verschiedenen radialen Richtungen auf. Die Verengung des Ringspalts bildet eine azimutal umlaufende Welle.

Der mindestens eine Ringspalt hat eine axiale Bezugsrichtung, die mit der Strömungsrichtung der Flüssigkeit zusammenfällt, eine radiale Bezugsrichtung, die auf der axialen Bezugsrichtung senkrecht steht, und eine azimutale Bezugsrichtung, die den gekrümmten Verlauf des Ringspalts beschreibt.

Erfindungsgemäß können in einem oder mehreren Ringspalten mehrere umlaufende Verengungen mit gleichen oder relativ zueinander verschiedenen Umlaufgeschwindigkeiten erzeugt werden. Bei gleichen Umlaufgeschwindigkeiten werden mehrere, relativ zueinander versetzte, spiralförmige Instabilitätsbereiche erzeugt.

Vorteilhafterweise bestehen verschiedene Möglichkeiten, die umlaufende Verengung zu erzeugen, so z.B. mit einem umlaufenden Vorsprung, der an einem der den Ringspalt begrenzenden Teile vorgesehen ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die umlaufende Verengung jedoch durch eine Spaltschwingung gebildet, die an mindestens einem der Bauteile erzeugt wird, die den mindestens einen Ringspalt begren zen. Hierzu sind mindestens zwei zueinander konzentrisch angeordnete Ringspaltteile vorgesehen, wobei ein Ringspalt jeweils von zwei Ringspaltteilen begrenzt wird. Die Spaltschwingung wird an mindestens einem der Ringspaltteile angeregt, die in der konzentrischen Anordnung benachbart sind, um die mindestens eine umlaufende Verengung zu erzeugen. Die konzentrische Anordnung der Ringspaltteile bedeutet, dass die jeweils einen Ringspalt bildenden, inneren und äußeren Oberflächen der angrenzenden Ringspaltteile im Ruhezustand, d.h. ohne Anregung der Spaltschwingung einen gemeinsamen Symmetriepunkt haben. Es ist insbesondere eine koaxiale Ausrichtung in Bezug auf die Richtung der Flüssigkeitsströmung beim Austritt aus dem Ringspalt vorgesehen. Die Verwendung von mehreren, konzentrisch angeordneten Ringspalten ermöglicht vorteilhafterweise einen erhöhten Flüssigkeitsdurchsatz und damit eine erhöhte Zerstäuberrate.

Wenn gemäß einer ersten Variante ein einziger Ringspalt vorgesehen ist und die umlaufende Verengung durch eine Spaltschwingung von mindestens einem der angrenzenden Ringspaltteile erzeugt wird, ergeben sich Vorteile für einen kompakten Aufbau der Zerstäubereinrichtung. Die Zerstäubereinrichtung weist in diesem Fall zwei Ringspaltteile auf. Der Außendurchmesser des ersten (inneren) Ringspaltteiles ist kleiner als der Innendurchmesser des zweiten (äußeren) Ringspaltteiles, so dass zwischen beiden Ringspaltteilen der Ringspalt gebildet wird. Mindestens eines der Ringspaltteile kann mit einer mechanischen Schwingung derart beaufschlagt werden, dass die gewünschte Verengung umläuft. Hierzu umfasst die Antriebseinrichtung der Zerstäubereinrichtung vorzugsweise eine Schwingungsquelle, mit der die Spaltschwingung des inneren und/oder äußeren Ringspaltteils anregbar ist.

Wenn die Spaltschwingung gemäß einer bevorzugten Gestaltung mit dem inneren Ringspaltteil erzeugt wird, während das äußere Ringspaltteil ortsfest fixiert ist, ergeben sich Vorteile durch einen vereinfachten Aufbau der Zerstäubereinrichtung und die relativ geringe Masse des bewegten inneren Ringspaltteils. Gemäß einer alternativen Gestaltung kann die Schwingung des äußeren Ringspaltteils gegenüber einem im fixierten Zustand befindlichen inneren Ringspaltteil oder eine Schwingung von beiden Teilen vorgesehen sein.

Vorteile für eine kompakte Bauform der Zerstäubereinrichtung und eine gleichmäßige Zufuhr der Flüssigkeit zum Ringspalt ergeben sich insbesondere, wenn das äußere Ringspaltteil ortsfest in der Zerstäubereinrichtung mit einem Kanal gebildet ist, in dem das innere Ringspaltteil angeordnet ist. Der Kanal und das innere Ringspaltteil weisen vorzugsweise die Form von geraden Kreiszylindern auf. Das innere Ringspaltteil ist konzentrisch im Kanal angeordnet. In diesem Fall ist das innere Ringspaltteil vorzugsweise ein langgestrecktes, zylinderförmiges Bauteil mit einem freien Ende, das mit dem äußeren Ringspaltteil den Ringspalt bildet, und einem fixierten Ende, das mit der Zerstäubereinrichtung fest verbunden ist. Das innere Ringspaltteil ist vorzugsweise ein einseitig fixierter, zylinderförmiger Zapfen, der kompakt oder hohl gebildet ist.

Wenn gemäß einer zweiten Variante zwei Ringspalte vorgesehen sind, die einerseits durch die ersten und zweiten Ringspaltteile und andererseits durch das zweite Ringspaltteil und ein drittes Ringspaltteil begrenzt werden, welches das zweite Ringspaltteil umgibt, können vorteilhafterweise durch die Spaltschwingung ausschließlich des zweiten Ringspaltteils im ersten und im zweiten Ringspalt umlaufende Verengungen erzeugt werden.

Mit mehreren Ringspalten können vorteilhafterweise verschiedene Flüssigkeiten gleichzeitig zerstäubt werden. In diesem Fall ergeben sich insbesondere Vorteile bei der Anwendung in der chemischen Verfahrenstechnik.

Die Schwingungsquelle der Zerstäubereinrichtung umfasst vorzugsweise einen elektromagnetischen Antrieb, wie z.B. eine Elektromagneteinrichtung, die auf ein magnetisches Material in dem jeweils angetriebenen Ringspaltteil, z.B. in dem ersten Ringspaltteil einwirkt. Werden mit der Elektromagneteinrichtung zwei Teilschwingungen erzeugt, die relativ zueinander und relativ zur axialen Richtung des Ringspaltes senkrecht stehen und einen geringfügigen Phasenunterschied, vorzugsweise einen Phasenunterschied von einer viertel Schwingung aufweisen, so ergibt deren Überlagerung eine magnetische Antriebskraft mit azimutal umlaufender Richtung. Entsprechend der aktuellen Ausrichtung der Antriebskraft wird der Ringspalt verengt.

Gemäß der Erfindung kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass mindestens ein Parameter der Spaltschwingung, insbesondere die Umlauffrequenz und/oder die Amplitude der Spaltschwingung, gezielt eingestellt wird, so dass die Flüssigkeitstropfen mit einer vorbestimmten Größe gebildet werden. Hierzu ist die Schwingungsquelle der Zerstäubereinrichtung vorzugsweise für eine veränderliche Einstellung der Frequenzen und gegenseitigen Phasenverschiebung der Teilschwingungen eingerichtet. Die Einstellung von mindestens einem Parameter der Spaltschwingung hat den besonderen Vorteil, dass zusätzlich zur Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit ein weiterer Freiheitsgrad für die Einstellung der Tropfengröße geschaffen wird. Damit können der Anwendungsbereich der Zer stäubereinrichtung erweitert und die Abhängigkeit von Viskositätseigenschaften der Flüssigkeit vermindert werden.

Die Erzeugung der umlaufenden Verengung des Ringspalts mit mindestens einer Spaltschwingung erlaubt es somit, große Mengen mindestens einer Flüssigkeit, z.B. eines Brennstoffs oder eines Wirkstoffs in kleine Tropfen gleichförmiger Größe zu zerstäuben. Die zu verteilende(n) Flüssigkeit(en) wird/werden durch den Ringspalt gepresst, dessen eine Berandung feststeht und dessen andere Berandung von einem sich mit einer hohen Frequenz im Ultraschallbereich bewegenden Bauteil, z.B. dem inneren Ringspaltteil gebildet wird. Die mechanische Schwingung des inneren Ringspaltteils wird in die Flüssigkeit im Ringspalt eingekoppelt, so dass die spiralförmige, dynamische Instabilität der Flüssigkeitsschicht gebildet wird, die aus dem Ringspalt austritt.

Die Umlauffrequenz der Verengung, d. h. die Umlauffrequenz der Spaltschwingung wird vorzugsweise oberhalb von 10 kHz, z. B. im Bereich von 10 kHz bis 400 kHz, besonders bevorzugt im Bereich von 20 kHz bis 200 kHz gewählt. Vorteilhafterweise können in diesem Frequenzbereich Tropfen aus Flüssigkeiten mit typischen Einströmgeschwindigkeiten gebildet werden, wie sie bspw. bei Brennkraftmaschinen erforderlich sind.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung kann der Rayleigh-Zerfall des spiralförmigen Flüssigkeitsstrahls gefördert werden, wenn auf mindestens eine Flüssigkeitsoberfläche der durch den Ringspalt austretenden Flüssigkeitsschicht eine azimutale Struktur aufgeprägt wird. Die Ortsfrequenz der azimutalen Struktur wird entsprechend der Größe der durch den Rayleigh-Zerfall gebildeten Einzeltropfen gewählt. Die erfindungsgemäße Zerstäubereinrichtung weist zur Aufprägung der azimutalen Struktur an mindestens einem der Ring spaltteile entsprechend eine äußere oder innere Oberflächenstruktur auf. Mit der Oberflächenstruktur des mindestens einen Ringspaltteils wird zusätzlich zu der spiralförmigen Instabilität eine Instabilität erzeugt, mit der der Zerfall des spiralförmigen Flüssigkeitsstrahls in Einzeltropfen gefördert wird.

Ein weiterer wichtiger Vorteil der Erfindung besteht in der erweiterten Anwendbarkeit mit verschiedenen Stoffsystemen. Die durch den Ringspalt austretende Flüssigkeit kann allgemein in eine Umgebung eines anderen Fluids, insbesondere eines Gases oder einer weiteren Flüssigkeit oder in eine Umgebung reduzierten Druckes, insbesondere in einen Vakuumraum zerstäubt werden. In dem unmittelbar an den Ringspalt angrenzenden Zerstäuberraum ist eine gasförmige Umgebung, eine flüssige Umgebung oder ein Vakuum gebildet.

Die aus dem Ringspalt in den Zerstäuberraum austretende Flüssigkeit wird vorzugsweise mit einem vorbestimmten Arbeitsdruck beaufschlagt. Mit dem Arbeitsdruck kann vorteilhafterweise die Geschwindigkeit der Flüssigkeit und dadurch die Tropfengröße nach der Zerstäubung eingestellt werden.

Vorteilhafterweise stehen bei der praktischen Umsetzung der Erfindung keine Beschränkungen in Bezug auf die Amplitude der Ringspaltverengung. Vorteilhafterweise ist es für die erfindungsgemäße Flüssigkeitszerstäubung ausreichend, wenn die Verengung des Ringspalts mindestens 1 %, vorzugsweise mindestens 10 % der Breite des Ringspalts beträgt. Bereits eine derart geringe Einschränkung der Ringspaltbreite führt zu der gewünschten spiralförmigen Instabilität. Alternativ kann eine stärkere Verengung des Ringspalts bis hin zur Ringspaltbreite Null vorgesehen sein.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht im breiten Anwendungsbereich der Zerstäubereinrichtung, z.B. zur Kraftstoff- oder Reaktandenzufuhr in einen Reaktionsraum, insbesondere Verbrennungsraum, zur Bildung von Wirkstoff-Aerosolen, oder zur Erzeugung von künstlichen Schneekristallen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1: eine schematische Ansicht einer Zerstäubereinrichtung gemäß der Erfindung;
2: eine Schnittansicht des erfindungsgemäß verwendeten Ringspalts gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
3: eine Draufsicht auf den Ringspalt gemäß 2;
4: eine schematische Illustration der erfindungsgemäßen Tropfenbildung;
5: eine Schnittansicht des erfindungsgemäß verwendeten Ringspalts gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
6: eine Draufsicht auf den Ringspalt gemäß 5;
7: eine Schnittansicht von erfindungsgemäß verwendeten Ringspalten gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
8: eine Draufsicht auf die Ringspalte gemäß 7, und
9: eine Draufsicht auf eine Vielzahl erfindungsgemäß verwendeter Ringspalte gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Zerstäubung einer Flüssigkeit wird im Folgenden unter beispielhaftem Bezug auf eine schematisch dargestellte Zerstäubereinrichtung beschrieben. Es wird betont, dass in Abhängigkeit von der konkreten Anwendung der Erfindung die Bauform der Zerstäubereinrichtung und insbesondere der Ringspaltteile zur Bildung des Ringspalts abgewandelt realisiert werden können. Es kann zum Beispiel anstelle eines kreisförmigen Ringspalts ein elliptischer Ringspalt vorgesehen sein.
Zur erfindungsgemäßen Zerstäubung einer Flüssigkeit 1 in eine Vielzahl einzelner Flüssigkeitstropfen 2 wird die Flüssigkeit 1 mit einer Zerstäubereinrichtung 10 gemäß 1 durch einen Ringspalt 11 gepresst. Der Ringspalt 11 ist zwischen dem ersten, inneren Ringspaltteil 13 und dem zweiten, äußeren Ringspaltteil 14 gebildet. Hierzu weist das äußere Ringspaltteil 14 einen Kanal 14.1 mit z.B. kreisförmigem Querschnitt auf, in dem das innere Ringspaltteil 13 konzentrisch und mit seinem freien, zum Ringspalt 11 weisenden Ende schwingungsfähig angeordnet ist. Das entgegengesetzte Ende des inneren Ringspaltteils 13 ist im Kanal 14.1 in geeigneter Weise, zum Beispiel mit Stegen am äußeren Ringspaltteil 14 fixiert, so dass die Flüssigkeit 1 in den Ringspalt 11 eintreten kann. Das innere Ringspaltteil 13 kann die Form eines massiven Zapfens (siehe 2, 3, 9) oder die Form eines Hohlzylinders (5, 6, 7, 8) aufweisen.
Die Zerstäubereinrichtung 10 weist eine Zufuhrseite 16 auf, an der die Flüssigkeit 1 in den Kanal 14.1 strömt. Die zur Zufuhrseite 16 entgegengesetzte Seite, an der die Flüssigkeit aus dem Ringspalt 11 austritt und in die Flüssigkeitstropfen 2 zerfällt, wird als Austrittseite 17 bezeichnet.
Das äußere Ringspaltteil 14 enthält die Antriebseinrichtung, die z.B. eine Schwingungsquelle 30 zum elektromagnetischen Antrieb des inneren Ringspaltteils 13 umfasst. Das Ringspaltteil, an dem die Spaltschwingung angeregt werden soll, besteht z.B. vollständig oder teilweise aus einem magnetischen Material, auf das mit der Schwingungsquelle 30 eine magnetische Kraft ausgeübt werden kann. Das Ringspaltteil, das ortsfest bleiben soll, besteht allgemein aus einem nichtmagnetischen Material, z.B. Aluminium oder Kunststoff, so dass mit der Schwingungsquelle 30 keine magnetische Kraft ausgeübt werden kann.
An der Austrittseite 17 mündet der Ringspalt 11 unmittelbar in den Zerstäuberraum 20. Das Austrittsende des Ringspalts 11 öffnet sich direkt in den Zerstäuberraum 20. Der Strömungsweg der Flüssigkeit 1 vom Ringspalt 11 in den Zerstäuberraum 20 ist frei von mechanischen Komponenten. Der Zerstäuberraum 20 ist in Abhängigkeit von der konkreten Aufgabe der Zerstäubereinrichtung 10 gebildet, er umfasst z.B. eine Brennkammer einer Brennkraftmaschine, einen Reaktor für chemische Reaktionen oder eine freie atmosphärische Umgebung.
Ein Flüssigkeitsreservoir 40 ist über eine Zufuhrleitung 41 und eine Pumpeneinrichtung 42 mit der Zufuhrseite 16 der Zerstäubereinrichtung 10 verbunden. Mit der Pumpeneinrichtung 42 wird die Flüssigkeit 1 in den Ringspalt 11 gepresst. Der Druck im Kanal 14.1 beträgt z.B. 20 bis 30 bar.
Weitere Einzelheiten der Zerstäubereinrichtung 10 mit einem inneren Ringspaltteil in Form eines kompakten zylinderförmi gen Zapfens 13 sind in den 2 und 3 illustriert. Die zu dispergierende Flüssigkeit 1 wird in 2 von links kommend unter Druck mit einer Geschwindigkeit u durch den Ringspalt 11 gedrückt. Der Ringspalt 11 hat eine Spaltbreite d, die typischerweise weniger als 1 mm, z.B. 100 μm beträgt und wesentlich für die Größe der erfindungsgemäß gebildeten Flüssigkeitstropfen 2 ist. Die am Ringspalt 11 in den freien Zerstäuberraum 20 austretende Flüssigkeit bildet eine schlauchförmige Flüssigkeitsschicht 3.
Wird das innere Ringspaltteil 13, dessen äußerer Rand den Innenrand des Ringspalts 11 bildet, in eine zirkuläre Schwingung versetzt, so wird der Ringspalt 11 periodisch verengt und somit die Geschwindigkeit am Spaltaustritt in den Zerstäuberraum 20 periodisch moduliert. Durch die zirkuläre Schwingung wird eine radiale Verengung 12 (siehe 3) des Ringspalts 11 gebildet, die entlang dem Ringspalt 11 azimutal umläuft.
Die zirkuläre Schwingung wird bspw. mit der Schwingungsquelle 30 (siehe 1) erzeugt, in dem zwei in x- und y-Richtung zueinander senkrecht stehende Magnetfeldkomponenten mit einer geringfügigen Phasenverstellung erzeugt werden, so dass die resultierende Magnetfeldkomponente in der x-y-Ebene umläuft und entsprechend die umlaufende Verengung 12 gebildet wird. Die Frequenz des Umlaufs der Verengung 12 beträgt z.B. 30 kHz. Wenn in den Ringspalten mehrere gegenläufig umlaufende Verengungen erzeugt werden, kann vorteilhafterweise die Umlauffrequenz um den Faktor 2 erhöht werden.
Die zunächst schlauchförmige Flüssigkeitsschicht 3 zerfällt auf der Grundlage der folgenden Abschätzung in einzelne Tropfen 2. Die Bewegung des Mittelpunkts des inneren Ringspaltteils 13 kann beschrieben werden mit: y(t) = αsin(2πv·t) und x(t) = α cos(2πv·t). (1)(v: Frequenz des Umlaufs der Verengung 12, α: Amplitude, t: Zeit).
Entsprechend tritt die Verengung 12 des Ringspalts 11 überall mit der gleichen Periode, jedoch mit verschobener Phase ein. Am Austritt des Ringspalts 11 in den Zerstäuberraum 20 ist die Flüssigkeitsgeschwindigkeit u zeitlich gemäß Gleichung (2) moduliert: u(t) ≈ u0 + u1sin(2πvt + Ψ) (2)(wobei Ψ eine linear mit dem Azimutwinkel φ variierende Phase ist).
Entsprechend wird die Dicke h der aus dem Ringspalt 11 austretenden Flüssigkeitsschicht 3 in Raum und Zeit variiert, wie dies schematisch in 4 illustriert ist. Die Wellenlänge λ dieser Variation ist direkt durch die mittlere Austrittsgeschwindigkeit u₀ und die Frequenz ν der Zapfenschwingung gegeben: λ = u0/ν (3)
Die Massenträgheit der Flüssigkeit 1 führt dazu, dass die Geschwindigkeitsmodulation gemäß Gleichung (2) in die Flüssigkeitsschicht 3 hinein fortgesetzt wird. Die Geschwindigkeit u(z, t) im Strahl wird durch die sogenannte Burgers-Gleichung gemäß Gleichung (4) beschrieben:
In Gleichung (4) bedeuten γ die Oberflächenspannung (bzw. bei der Emulgation die Grenzflächenspannung) und ρ die Dichte der Flüssigkeit 1. Auf der Grundlage der Burgers-Gleichung (4) kommt es nach einer charakteristischen Weglänge z₀ zu einer Abschnürung der Flüssigkeitsschicht 3. Die Weglänge z₀ kann gemäß Gleichung (5) genährt beschrieben werden mit:
Entsprechend bildet sich mit dem Abstand z₀ vom Ende des Ringspalts 11 ein etwa zylindrischer Wulst in der Flüssigkeitsschicht 3, dessen Querschnittsfläche durch λd gegeben ist.
Wegen der im Zeitverlauf umlaufenden Verengung 12 (siehe 3) des Ringspalts 11 wird durch die Abschnürung nicht ein Torus gebildet, sondern ein spiralförmiger Strang mit einer charakteristischen Steigung λ. Der Abschnürungsprozess findet an einem Ort nach dem Ende des Ringspaltes 11 kontinuierlich umlaufend statt. Dadurch wird die Erzeugung von Satellitentropfen mit stark abweichender und somit unerwünschter Größe minimiert oder ausgeschlossen.
Der zylindrische Wulst zerfällt anschließend durch die Rayleigh-Plateau-Instabilität in einzelne Tropfen 2. Dabei ist der Abstand der Tropfen gemäß Gleichung (6) gegeben durch
(r: Radius des als kreisförmig angenäherten Strangquerschnitts)
Entsprechend haben die Flüssigkeitstropfen 2 und ein Volumen von ungefähr
und entsprechend einen Radius von ungefähr
Der Zerfall des spiralförmigen Flüssigkeitsstrahls kann durch eine azimutale Oberflächenstruktur im Ringspalt 11 gefördert werden. Die azimutale Oberflächenstruktur umfasst eine Welligkeit, die genau die Periode der Rayleigh-Plateau-Instabilität gemäß Gleichung (6) aufweist. Durch die Oberflächenstruktur im Ringspalt 11 wird ein Deformationsfeld auf dem durch die erste Abschnürung entstehenden Zylinderwulst gebildet, das der maximal instabilen Wellenzahl entspricht und somit innerhalb einiger Mikrosekunden zur Abschnürung führt.
Die Schwingungsamplitude α gemäß Gleichung (1) wird auf der Grundlage der folgenden Überlegungen gewählt. Vorzugsweise erfolgt die erste Abschnürung zur Bildung des spiralförmigen Flüssigkeitsstrahls mit einem Abstand vom Ende des Ringspalts 11, der geringer als eine Wellenlänge λ ist (z₀ ≤ λ). Für die Geschwindigkeitsmodulation v₁ gilt wegen der Massenerhaltung unter der Annahme einer geringen Kompressibilität der Zusammenhang gemäß Gleichung (9). u1d ≈ πvaD (9) so dass sich mit Gleichung (4) ergibt:
In den Gleichungen (9) und (10) ist D die axiale Länge des Ringspalts 11 (siehe 2).
Wenn D ≥ λ erfüllt ist, kann die Bedingung gemäß Gleichung (10) stets leicht erfüllt werden. Für eine besonders homogene Tropfenbildung nach dem Ringspalt 11 wird vorzugsweise die Amplitude α gemäß Gleichung (11) wie folgt gewählt.
Bei Spaltbreiten d von z.B. 100 μm und einer Viskosität der Flüssigkeit 1 entsprechend der Viskosität von Wasser bei Raumtemperatur wird eine axiale Länge D des Ringspalts 11 von rd. 1 mm gewählt.
Für den dispensierbaren Massendurchsatz dY/dt gilt mit der Spaltlänge L gemäß Gleichung (12):
Wird als inneres Ringspaltteil 13 ein Metallzapfen (L = 3 cm) mit einer Resonanzfrequenz von 40 kHz verwendet, so können bei einer Austrittsgeschwindigkeit von 60 m/s und einer Spaltbreite d von 100 μm pro Sekunde 180 ml Flüssigkeit zerstäubt werden. Hierzu ist vorteilhafterweise eine Energie von nur wenigen Watt (typischerweise weniger als 1 W) erforder lich, wobei die Dämpfung der Schwingung des inneren Ringspaltteils 13 durch die im Ringspalt 11 befindliche Flüssigkeit vernachlässigbar ist.
In den 5 bis 9 sind abgewandelte Ausführungsformen der Erfindung illustriert. Bei der in den 5 und 6 gezeigten Ausführungsform umfasst das innere Ringspaltteil 13 einen Hohlzylinder mit einem inneren Hohlraum 13.1. Der Ringspalt 11 wird zwischen dem inneren Ringspaltteil 13 und dem äußeren Ringspaltteil 14 gebildet. Bei der in den 7 und 8 gezeigten Ausführungsform sind mehrere konzentrische Ringspaltteile 13, 14 und 15 vorgesehen, die zwei Ringspalte 11, 11.1 mit zwei Verengungen 12, 12.1 bilden. Für jeden der Ringspalte gelten die obigen Abschätzungen entsprechend. Die Ringspalte 11, 11.1 können mit einem gemeinsamen Kanal 14.1 (siehe 1) oder mit getrennten Kanälen zur Zuführung verschiedener Flüssigkeiten verbunden sein.
Das Prinzip der konzentrisch gebildeten Ringspalte kann erweitert werden, wie mit der Draufsicht auf das Austrittsende einer erfindungsgemäßen Zerstäubereinrichtung in 9 beispielhaft gezeigt ist. Es sind sechs Ringspaltteile 13 bis 18 vorgesehen, zwischen denen jeweils ein Ringspalt gebildet ist. Jedes zweite Ringspaltteil wird mit der Spaltschwingung beaufschlagt (siehe Symbol *), so dass in den angrenzenden Ringspalten die umlaufenden Verengungen erzeugt werden können.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

Claims

Verfahren zur Zerstäubung mindestens einer Flüssigkeit (1) mit einer Zerstäubereinrichtung (10), die mindestens einen Ringspalt (11, 11.1) aufweist, mit den Schritten: – Austritt der Flüssigkeit (1) durch den mindestens einen Ringspalt (11, 11.1) in einen Zerstäuberraum (20), wobei mindestens eine Verengung (12, 12.1) des Ringspalts (11, 11.1) erzeugt wird, die am mindestens einen Ringspalt (11, 11.1) umläuft, und – Zerfall der Flüssigkeit (1) im Zerstäuberraum (20) mit einem Abstand vom mindestens einen Ringspalt (11, 11.1) in Flüssigkeitstropfen (2).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine konzentrische Anordnung von mindestens zwei Ringspaltteilen (13, 14, 15, 16, 17, 18) vorgesehen ist und der mindestens eine Ringspalt (11, 11.1) zwischen Ringspaltteilen (13, 14, 15, 16, 17, 18) gebildet ist, die in der konzentrischen Anordnung benachbart sind, wobei die mindestens eine umlaufende Verengung (12, 12.1) durch eine Spaltschwingung von mindestens einem der Ringspaltteile (13, 14, 15, 16, 17, 18) erzeugt wird, die den entsprechenden Ringspalt (11, 11.1) begrenzen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem ein erster Ringspalt (11) vorgesehen ist, der durch ein erstes und ein zweites Ringspaltteil (13, 14) begrenzt wird, wobei die umlaufende Verengung (12) durch eine Spaltschwingung von mindestens einem der ersten und zweiten Ringspaltteile (13, 14) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem ein zweiter Ringspalt (11.1) vorgesehen ist, der durch das zweite Ringspaltteil (13) und ein drittes Ringspaltteil (15) begrenzt wird, welches das zweite Ringspaltteil (13) umgibt, wobei durch die Spaltschwingung des zweiten Ringspaltteils (14) im ersten und zweiten Ringspalt (11, 11.1) umlaufende Verengungen (12, 12.1) erzeugt werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem mindestens ein Schwingungsparameter der Spaltschwingung derart eingestellt wird, dass die Flüssigkeitstropfen (2) eine vorbestimmte Größe aufweisen.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem die Umlauffrequenz der Spaltschwingung im Bereich von 10 kHz bis 400 kHz gewählt ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, mit dem Schritt: – Aufprägung einer azimutalen Struktur auf mindestens eine Flüssigkeitsoberfläche der durch den mindestens einen Ringspalt (11, 11.1) austretenden Flüssigkeit (1).
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die azimutale Struktur im Ringspalt (11, 11.1) aufgeprägt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Flüssigkeit in den Zerstäuberraum (20) in eine gasförmige Umgebung, eine flüssige Umgebung oder eine Umgebung reduzierten Druckes austritt.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem durch mehrere Ringspalte (11, 11.1) ver schiedene Flüssigkeiten (1) in die Umgebung austreten und in Flüssigkeitstropfen zerfallen.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die mindestens eine Verengung (12, 12.1) am mindestens einen Ringspalt (11, 11.1) mindestens 1 % der Breite des mindestens einen Ringspalts (11, 11.1) beträgt.
Zerstäubereinrichtung (10) zur Zerstäubung einer Flüssigkeit (1), der umfasst: – eine konzentrische Anordnung von mindestens zwei Ringspaltteilen (13, 14, 15, 16, 17, 18), zwischen denen mindestens ein Ringspalt (11, 11.1) gebildet ist, und – eine Antriebseinrichtung (30), mit der am mindestens einen Ringspalt (11, 11.1) mindestens eine umlaufende Verengung (12) erzeugt werden kann.
Zerstäubereinrichtung nach Anspruch 12, bei der die Antriebseinrichtung eine Schwingungsquelle (30) umfasst, mit der an mindestens einem der Ringspaltteile (13, 14, 15, 16, 17, 18) eine Spaltschwingung derart anregbar ist, dass die Verengung am mindestens einen Ringspalt (11, 11.1) umläuft.
Zerstäubereinrichtung nach Anspruch 13, bei der ein erster Ringspalt (11) vorgesehen ist, der durch ein erstes und ein zweites Ringspaltteil (13, 14) begrenzt wird, wobei die Schwingungsquelle (30) zur Anregung der Spaltschwingung von mindestens einem der ersten und zweiten Ringspaltteile (13, 14) vorgesehen ist.
Zerstäubereinrichtung nach Anspruch 14, bei der ein zweiter Ringspalt (11.1) vorgesehen ist, der durch das zweite Ringspaltteil (13) und ein drittes Ringspaltteil (15) begrenzt wird, welches das zweite Ringspaltteil (13) umgibt, wobei die Schwingungsquelle (30) zur Anregung der Spaltschwingung des zweiten Ringspaltteils (14) vorgesehen ist.
Zerstäubereinrichtung nach Anspruch 14 oder 15, bei der das zweite Ringspaltteil (14) einen Kanal (14.1) aufweist, in dem das erste Ringspaltteil (13) angeordnet ist.
Zerstäubereinrichtung nach Anspruch 16, bei der das erste Ringspaltteil (13) einen zylinderförmigen Zapfen umfasst.
Zerstäubereinrichtung nach Anspruch 17, bei der das erste Ringspaltteil (13) hohl ist.
Zerstäubereinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 15, bei der mindestens eines der Ringspaltteile (13, 14, 15, 16, 17, 18) eine Oberflächenstruktur zur Aufprägung einer azimutalen Struktur auf mindestens eine Flüssigkeitsoberfläche der durch den mindestens einen Ringspalt (11, 11.1) austretenden Flüssigkeit (1) aufweist.
Zerstäubereinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 19, bei der der mindestens eine Ringspalt (13, 14, 15, 16, 17, 18) kreisförmig ist.
Zerstäubereinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 20, die eine Zufuhrseite (10.1) aufweist, die zur Zuführung der Flüssigkeit (1) zu dem mindestens einen Ringspalt (11, 11.1) vorgesehen ist.
Zerstäubereinrichtung nach Anspruch 21, wobei die Zufuhrseite (16) mit einem Flüssigkeitsreservoir (40) verbunden ist.
Zerstäubereinrichtung nach Anspruch 22, bei der eine Pumpeneinrichtung (42) vorgesehen ist, mit der die Flüssigkeit (1) unter Druck in den mindestens einen Ringspalt (11, 11.1) zuführbar ist.
Zerstäubereinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 23, die eine Austrittsseite (10.2) aufweist, die zum Austritt der Flüssigkeit (1) aus der Zerstäubereinrichtung (10) vorgesehen ist und an der der mindestens eine Ringspalt (13, 14, 15, 16, 17, 18) in eine Umgebung der Zerstäubereinrichtung mündet.
Zerstäubereinrichtung nach Anspruch 24, bei der die Austrittsseite (17) mit einem Zerstäuberraum (20) verbunden ist.
Zerstäubereinrichtung nach Anspruch 25, bei der der Zerstäuberraum (20) mit einem Gas oder einer Flüssigkeit gefüllt oder mit einem Unterdruck beaufschlagt ist.
Verwendung eines Verfahrens oder einer Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche: – zur Kraftstoffzufuhr in einen Verbrennungsraum, – zur Bildung von Wirkstoff-Aerosolen, oder – zur Erzeugung von Schneekristallen.