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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Gegenstände mit Oberflächen, die
derart ausgebildet sind, dass sie eine selektive Benetzung der Oberflächen durch
Flüssigkeiten
fördern.
Spezieller bezieht sich diese Erfindung auf das Fördern der
Zerstäubung
durch Erhöhen
der Benetzbarkeit der Vor-Filmbildungsregion der Oberflächen und
das Induzieren hydrodynamischer Instabilitäten in selektiven Regionen
des Zerstäubers.
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Die
Zerstäubung
bezieht sich allgemein auf die Umwandlung einer Flüssigkeitsmasse
in einen Sprühnebel
oder Nebel (d. h. eine Ansammlung von Tropfen), häufig, indem
man die Flüssigkeit
durch eine Düse führt. Ein
Zerstäuber
ist eine Vorrichtung zum Erzielen der Zerstäubung. Übliche Beispiele von Zerstäubungs-Systemen
können
einschließen:
Gasturbinen, Karburatoren, Luftbürsten,
Vernebler, Sprühflaschen
und Ähnliche.
In internen Verbrennungstriebwerken z. B. kann die feinkörnige Brennstoffzerstäubung für eine effiziente
Verbrennung förderlich
sein.
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Derzeitige
Gebläse-Zerstäuber breiten
Flüssigkeit
von einer Düsenöffnung zu
einem Film auf einer oder mehreren Vor-Filmbildungs-Regionen aus.
Die Zerstäuber
können
Druck, Luftströmung,
elektrostatische, Ultraschall- und ähnliche andere Methoden nutzen,
um Instabilitäten
in dem Flüssigkeitsmassenfilm
zu erzeugen, um Tröpfchen
zu bilden. Der Flüssigkeitsmassenfilm
in den Vor-Filmbildungs-Regionen wird Luft ho her Geschwindigkeit
ausgesetzt, die auf beiden Seiten der Düsenöffnung in die Regionen eintritt.
Die Luftströme können hydrodynamische
Instabilitäten
in dem Flüssigkeitsfilm
erzeugen und verursachen, dass er in Tröpfchen zerbrochen wird. Die
mittlere Tropfengröße, die
durch einen Zerstäuber
erzeugt wird, wird signifikant durch die Gleichförmigkeit und Dicke des Flüssigkeitsfilms
in seiner Vor-Filmbildungs-Region beeinflusst. In einigen Fällen kann
die mittlere Tropfengröße mit der
Quadratwurzel der Filmdicke variieren. Je dünner der Film, je feiner daher
die Zerstäubung
(d. h., die Tropfengröße). Derzeitige
Zerstäuber
haben keine Einrichtungen, um sicherzustellen, dass die Flüssigkeit
in den Vor-Filmbildungs-Regionen zu dem notwendigen dünnen Film
ausgebreitet wird. Dies kann trockene Flecken auf der Oberfläche der
Vor-Filmbildungs-Region erzeugen, die zu einem ungleichförmigen Flüssigkeitsfilm
und folglich zu größeren gröberen Tröpfchengrößen führen.
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Es
besteht daher ein Bedarf, die Gleichförmigkeit des Flüssigkeitsmassenfilms
zu verbessern und weitere hydrodynamische Instabilitäten einzuführen, um
die Zerstäubung
zu fördern.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Hierin
sind Zerstäuber
offenbart, die eine Oberfläche
aufweisen, die zum Fördern
der Zerstäubung
einer Flüssigkeit
konfiguriert ist. In einer Ausführungsform
schließt
der Zerstäuber
eine Vor-Filmbildungs-Region ein, umfassend eine Oberfläche, konfiguriert,
um die mittlere Tropfengröße einer
zerstäubten
Flüssigkeit
zu verringern, wobei die Oberfläche
einen effektiven Kontaktwinkel mit Bezug auf die zerstäubte Flüssigkeit,
von weniger als etwa 30 Grad aufweist.
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In
einer anderen Ausführungsform
schließt
der Zerstäuber
eine Vor-Filmbildungs-Region und einen Lippenabschnitt ein, der
an einem Ende der Vor-Filmbildungs-Region angeordnet und der konfiguriert
ist, in einem Flüssigkeitsfilm
hydrodynamische Instabilitäten
zu erzeugen, wobei der Lippenabschnitt ein alternierendes Muster
benetzender und nicht-benetzender Oberflächen umfasst, wobei die nicht-benetzende
Oberfläche einen
Kontaktwinkel, mit Bezug auf die Flüssigkeit, von mehr als 90 Grad
umfasst und die benetzende Oberfläche einen Kontaktwinkel, mit
Bezug auf die Flüssigkeit,
von weniger als 90 Grad aufweist.
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In
noch einer anderen Ausführungsform
ist ein Zerstäuber
konfiguriert, einen Flüssigkeitsfilm
in einen Sprühnebel
umzuwandeln, und er schließt
eine Düse
zum Injizieren der Flüssigkeit
in einen unter Druck stehenden Strömungspfad, eine Vor-Filmbildungs-Region
stromabwärts
der Düse,
umfassend eine Oberfläche, konfiguriert
zum Verringern der mittleren Tropfengröße der Flüssigkeit, wobei die Oberfläche einen
effektiven Kontaktwinkel, mit Bezug auf die Flüssigkeit, von weniger als etwa
30 Grad aufweist, und einen Lippenabschnitt ein, der stromabwärts der
Vor-Filmbildungs-Region angeordnet und konfiguriert ist, hydrodynamische Instabilitäten in dem
Flüssigkeitsfilm
zu erzeugen, wobei der Lippenabschnitt ein alternierendes Muster
benetzender und nicht-benetzender Oberflächen umfasst, wobei die nicht-benetzende
Oberfläche
einen Kontaktwinkel, mit Bezug auf die Flüssigkeit, von mehr als 90 Grad
umfasst und die benetzende Oberfläche einen Kontaktwinkel, mit
Bezug auf die Flüssigkeit,
von weniger als 90 Grad umfasst.
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Die
oben beschriebenen und andere Merkmale werden durch die folgenden
Figuren und die detaillierte Beschreibung beispielhaft erläutert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Es
wird nun auf die Figuren Bezug genommen, in denen gleiche Elemente
mit gleichen Bezugszahlen versehen sind:
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1 ist
eine schematische Querschnittsansicht eines derzeitigen Vor-Filmbildungs-Zerstäubers zum Einsatz
in einem Brennersystem;
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2 ist
eine schematische Querschnittsansicht einer beispielhaften Ausführungsform
der Oberfläche
eines Gegenstandes, der eine Überzugsschicht
zeigt;
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3 ist
eine schematische Querschnittsansicht einer beispielhaften Ausführungsform
der Oberfläche
eines Gegenstandes, der die Textur zeigt;
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4 ist eine schematische Querschnittsansicht,
die den Unterschied zwischen einem Wenzeltropfen-Zustand und einem
Cassietropfen-Zustand veranschaulicht;
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5 ist
eine grafische Darstellung des effektiven Kontaktwinkels als eine
Funktion des relativen Abstandes für verschiedene Aspektverhältnisse,
wobei die Merkmale Vorsprünge
sind;
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6 ist
der Zerstäuber
von 1, wobei geeignete Bereiche zum Anordnen einer
Hybridtextur-Region hervorgehoben sind;
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7 veranschaulicht
beispielhafte Ausführungsformen
verschiedener Hybridflecken-Konfigurationen;
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8 ist
eine grafische Darstellung eines effektiven Kontaktwinkels als eine
Funktion des b/a-Verhältnisses;
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9 veranschaulicht
beispielhafte Ausführungsformen
hydrophiler Wenzelzustands-Oberflächenmerkmale;
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10 zeigt
Fotografien von Öltröpfchen auf
Siliciumpfosten-Oberflächenmerkmalen,
die verschiedene b/a-Verhältnisse
aufweisen, um das Abrollen zu messen und den Kontaktwinkel zu bestimmen,
und
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11 ist
eine grafische Darstellung des effektiven Kontaktwinkels als eine
Funktion des relativen Abstandes (b/a-Verhältnis) für eine hydrophile/superhydrophile
Oberfläche.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Bezugnehmend
auf die Zeichnung allgemein und auf 1 im Besonderen
wird klar sein, dass die Darstellungen den Zweck der Beschreibung
einer speziellen Ausführungsform
des hierin offenbarten Gegenstandes haben und eine Beschränkung darauf
nicht beabsichtigt ist. 1 ist eine schematische Querschnittsansicht
eines beispielhaften Zerstäubers
eines Gasturbinen-Brennersystems. Hierin wird Bezug genommen auf
die Anwendung von Oberflächen-Behandlungen
und -Überzügen im Brennersystem.
Es sollte jedoch klar sein, dass die hierin offenbarten Oberflächen-Behandlungen
vorteilhafterweise in irgendeinem Zerstäubungssystem eingesetzt werden
können,
um die Leistungsfähigkeit
des Zerstäubers
zu verbessern. Beispiele von Systemen, die eine Strömungsmittel-Zerstäubung erfordern,
schließen,
ohne Einschränkung,
Landwirtschaft, Nahrungsmittelherstellung, Anstreichen, Waschen
und Ähnliche
ein. Der Gebrauch hydrophiler oder superhydrophiler Oberflächen- Behandlungen kann
zu gleichmäßigeren
dünneren
Flüssigkeitsmassen-Filmen
führen, die
feinere Tröpfchengrößen erzeugen
können,
d. h., die mittlere Tropfengröße einer
Flüssigkeit
verringern, verglichen mit gegenwärtigen Zerstäubern ohne
solche Oberflächen-Behandlungen.
Zusätzlich
kann der Einsatz von hydrophob/hydrophilen Hybrid-Regionen in selektiven
Bereichen, wie den Lippen der verschiedenen Vor-Filmbildungs-Zerstäuberregionen,
hydrodynamische Instabilitäten
einführen,
die zu einem effizienten Aufbrechen des Flüssigkeitsfilmes und zu einer
verbesserten Zerstäubung
führen.
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Mit
Bezug auf Verbrennungs-Anwendungen, wie in Turbinen, kann die verbesserte
Zerstäubung
einen signifikanten Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der Verbrennung haben.
Im Allgemeinen ist ein Maß für die Leistungsfähigkeit
eines Gebläse-Zerstäubers das
Verhältnis
von Luft zu Flüssigkeit
und der Luft-Seitendruckabfall, der zum Erzeugen eines Sprühnebels
einer gegebenen mittleren Tropfengröße erforderlich ist. Typischerweise
ist der Druckabfall ein großer
Bruchteil des Druckabfalls für
das gesamte Verbrennungssystem und das Strömungsverhältnis von Luft zu Flüssigkeitsmasse
ist gleich oder größer als
1,0 für
einen Sprühnebel
feiner Tröpfchengröße. In industriellen
Gasturbinen oder in Flugzeug-Triebwerken ist der Brenner-Druckabfall
ein Nachteil (d. h., ein parasitärer
Verlust) für
die Brennstoffeffizienz des Systems. Folglich repräsentiert
die Fähigkeit
zum Verringern des Zerstäuber-Druckabfalls
oder des Luft-zu-Flüssigkeits-Verhältnisses,
das für
einen Sprühnebel
der erforderlichen Qualität
benötigt
wird, einen Nutzen der System-Brennstoffeffizienz. Der Gebrauch
oleophiler und oleophober oder hydrophiler und hydrophober Überzüge auf den
den Sprühnebel
herstellenden Oberflächen
des Zerstäubers
zum Verringern der mittleren Tropfengröße der zerstäubten Flüssigkeit
kann vorteilhaft in einer Verbesserung der Sprühnebelqualität für einen
gegebenen Druckabfall oder ein Luft-zu-Flüssigkeits-Verhältnis relativ
zu einem nicht überzogenen
Zerstäuber
resultieren. Die flüssigkeitsbenetzten
Abschnitte des Zerstäubers,
die den Sprühnebel
in erster Linie über
eine Druck-Verwirbelungs-Zerstäubung
(d. h., an den Vor-Filmbildungslippen)
erzeugen, können
auch einen Nutzen von hydrophoben oder oleophoben Oberflächen haben,
die für
eine gegebene mittlere Tröpfchengröße einen
geringeren Flüssigkeitszufuhr-Druck
gestatten. Dieser verringerte Druck kann eine Ersparnis in der Pumpenarbeit
repräsentieren,
die zum Zuführen
von Brennstoff zum Zerstäubungssystem
erforderlich ist.
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Darüber hinaus
können
die offenbarten hydrophoben oder oleophoben Oberflächen den
potenziellen Nutzen verringerter Toleranzen und Genauigkeit bei
der Herstellung bereitstellen. Die Oberflächen-Behandlungen können möglicherweise
eine gleichförmigere
Flüssigkeitsfilm-Dicke
und -Verteilung auf den Vor-Filmbildungs-Regionen erleichtern, was
einen gleichmäßigeren
Sprühnebel
trotz Herstellungs-Unvollständigkeiten erzeugt,
wie Werkzeugmarken, Mangel an perfekter Konzentrizität, unrunden
Abmessungs-Öffnungen
und anderen Fehlern, die gewöhnlich
Streifen in dem Sprühnebel
und andere Symptome der Ungleichmäßigkeit in der Brennstofffilmdicke
verursachen. Die hierin offenbarten Oberflächen-Behandlungen könnten auch
zum Einstellen der räumlichen
Verteilung des Sprühnebels
benutzt werden, um die Geometrie des Verbrennungssystems besser
zu nutzen. So erzeugen gegenwärtige
Düsen einen
axialsymmetrischen konischen Sprühnebel,
der entweder solid oder hohl ist, was vom spezifischen Typ abhängt. Injiziert
man diese gleichmäßige Verteilung
in einen ringförmigen
Brenner, dann kann es, vom Standpunkt der Haltbarkeit, mehr Brennstoff
als erwünscht
nahe den inneren und äußeren Wandungen
geben. Die Verteilung der offenbarten Oberflächen-Behandlungen auf dem Vorfilmbilder
könnten
benutzt werden, den Flüssigkeits-Sprühnebel neu
zu verteilen, den Massenfluss einzustellen, um den flüssigen Brennstoff
in dem stromabwärts
gelegenen Brennervolumen gleichmäßiger zu
verteilen. In dem ringförmigen
Brenner könnte
dies durch Benutzen eines elliptischen Kegels statt eines kreisförmigen Kegels
bewerkstelligt werden, wobei die lange Achse der Ellipse umfangsmäßig orientiert
ist, um an das ringförmige
Volumen anzupassen.
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1 veranschaulicht
eine beispielhafte Ausführungsform
eines Gasturbinen-Brennstoffinjektors 10 eines Brennersystem.
Der Gasturbinen-Brennstoffinjektor 10 kann einen Zerstäuber 12 umfassen.
Der Zerstäuber 12 kann
eine äußere Wandung 14,
einen äußeren Pilot-Verwirbeler 16,
einen inneren Pilot-Verwirbeler 18 und einen Pilot-Brennstoffinjektor 20 einschließen. Der
Zerstäuber
hat eine Symmetrieachse 49 und ist allgemein zylindrisch
mit einem ringförmigen
Querschnittsprofil geformt.
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Der
Pilot-Brennstoffinjektor 20 liegt entlang der Symmetrieachse 49 und
ist innerhalb des Zerstäubers 12 derart
angeordnet, dass der Brennstoffinjektor im Wesentlichen koaxial
mit dem Zerstäuber
liegt. Der Brennstoffinjektor 20 injiziert Brennstoff zum
Pilot und schließt
eine Aufnahmeseite 22, eine Auslassseite 24 und
einen sich dazwischen erstreckenden Körper 26 ein. Die Auslassseite 24 schließt eine
konvergente Auslassdüse 28 ein,
die von dem Brennstoffinjektor 20 eine (nicht gezeigte)
Brennstoffströmung
nach außen
dirigiert.
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Der
innere Pilot-Verwirbeler 18 ist ringförmig und umfangsmäßig um den
Pilot-Brennstoffinjektor 20 herum angeordnet. Der innere
Pilot-Verwirbeler 18 schließt eine Aufnahmeseite 30 und
eine Auslassseite 32 ein. Ein (nicht gezeigter) innerer
Pilot-Luftstrom tritt in die Einlassseite 30 des inneren
Pilot-Verwirbelers ein und wird vor dem Austritt durch die Auslassseite 32 des
inneren Pilot-Verwirbelers beschleunigt.
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Ein
Grundlinien-Pilot-Gebläseaufspalter 40 ist
stromabwärts
des inneren Pilot-Verwirbelers 18 angeordnet. Der Grundlinien-Pilot-Gebläseaufspalter 40 schließt einen
stromaufwärts
gelegenen Abschnitt 42 und einen stromabwärts gelegenen
Abschnitt 44 ein, der sich von dem stromaufwärts gelegenen
Abschnitt 42 aus erstreckt. Der stromaufwärts gelegene
Abschnitt 42 schließt
eine Vorderkante 46 ein und hat einen Durchmesser 48,
der von der Vorderkante 46 bis zum stromabwärts gelegenen
Abschnitt 44 des Pilot-Gebläseaufspalters konstant ist.
Der stromaufwärts
gelegene Abschnitt 42 schließt auch eine innere Oberfläche 50 ein,
die im Wesentlichen parallel und benachbart dem inneren Pilot-Verwirbeler 18 angeordnet
ist. Die Begriffe „stromaufwärts” und „stromabwärts”, wie sie
hierin benutzt werden, sollen die Stelle der Komponenten innerhalb
eines Brennersystems beschreiben, wie sie sich auf die Strömung des
Strömungsmittels
(z. B. Brennstoff) durch das System beziehen.
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Der
stromabwärts
gelegene Abschnitt 44 des Grundlinien-Pilot-Gebläseaufspalters
erstreckt sich vom stromaufwärts
gelegenen Abschnitt 42 bis zu einer Hinterkante 52 des
Aufspalters 40. Der stromabwärts gelegene Abschnitt 44 konvergiert
zur Zerstäuber-Symmetrieachse 49 hin
derart, dass bei einem Mittelpunkt 54 des stromabwärts gelegenen
Abschnitts 44 dieser stromabwärts gelegene Abschnitt 44 einen
Durchmesser 56 aufweist, der geringer ist als der Durchmesser 48 des
stromaufwärts
gelegenen Abschnittes. Der stromabwärts gelegene Abschnitt 44 divergiert
vom Mittelpunkt 54 des stromabwärts gelegenen Abschnittes derart
nach außen,
dass der Hinterkanten-Durchmesser 58 größer ist
als der Mittelpunkt-Durchmesser 56 des stromabwärts gelegenen
Abschnittes, aber geringer als der Durchmesser 48 des stromaufwärts gelegenen
Abschnittes.
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Der äußere Pilot-Verwirbeler 16 erstreckt
sich im Wesentlichen senkrecht vom Grundlinien-Pilot-Gebläseaufspalter 40 und
ist an einer Konturwand 60 befestigt. Die konturierte Wand 60 ist
an einer Außenwand 14 des
Zerstäubers
befestigt. Der äußere Pilot-Verwirbeler 16 ist
ringförmig
und umfangsmäßig um den
Grundlinien-Pilot-Gebläseaufspalter 40 herum
angeordnet. Die konturierte Wandung 60 schließt einen
Scheitel 62 ein, der zwischen einem konvergenten Abschnitt 64 der
konturierten Wandung 60 und einem divergenten Abschnitt 66 der
konturierten Wandung 60 angeordnet ist. Der stromabwärts gelegene
Abschnitt 44 des Aufspalters divergiert zum divergenten
Abschnitt 66 der konturierten Wandung hin. Die konturierte
Wandung 60 schließt
auch eine Hinterkante 70 ein, die sich vom divergenten
Abschnitt 66 der konturierten Wandung aus erstreckt. Hinterkante 70 verläuft im Wesentlichen
senkrecht zur Symmetrieachse 49 des Zerstäubers und
liegt benachbart einer Verbrennungszone 80.
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Im
Betrieb injiziert ein Pilot-Brennstoffkreislauf 90 Brennstoff
durch den Pilot-Brennstoffinjektor 20 zum Brennersystem 10.
Gleichzeitig tritt eine Luftströmung
in die Aufnahme 30 des Pilot-Verwirbelers ein und wird von
der Auslassseite 32 des Pilot-Verwirbelers nach außen beschleunigt.
Die Pilot-Luftströmung
strömt
im Wesentlichen parallel zur Symmetrieachse 49 des Zerstäubers und
trifft auf den Luft-Aufspalter 40, der die Pilot-Luftströmung in
einer verwirbelten Bewegung zum Brennstoff hin dirigiert, der aus
dem Pilot-Brennstoffinjektor 20 austritt. Die Pilot-Luftströmung führt nicht
zum Zusammenfallen eines (nicht gezeigten) Sprühmusters des Pilot-Brennstoffinjektors 20,
sondern stabilisiert und zerstäubt
statt dessen den Brennstoff.
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Während die
Flüssigkeitsmasse,
in diesem Fall Brennstoff, aus dem Pilot-Brennstoffinjektor 20 austritt, breitet
sich ein Teil des Brennstoffes zu einem Film auf Oberflächen des
Zerstäubers 12 aus.
Die flachen Oberflächen,
z. B., die innere Oberfläche
des Pilot-Aufspalters oder die Düsenlippe,
können
einen dünnen
Film des Brennstoffes sammeln und sie sind manchmal als „Vor-Filmbildungs”-Oberflächen bekannt.
Eine solche allgemeine Terminologie wird hierin benutzt. Die flache
Fläche
der Oberfläche
erzeugt einen Rezirkulationsbereich geringen Druckes, der den Brennstoff
von der Ausgangsdüse 28 auf
die flachen Oberflächen
zieht. Dieses „Vor-Filmbilden” gestattet
die Bildung einer dünnen
Schicht des Brennstoffes. Die Zerstäubung des Brennstoffes wird
gefördert,
indem zuerst der Brennstoff zu einer dünnen Filmschicht auf den Vor-Filmbildungs-Oberflächen ausgebreitet
wird. Die gegenwärtigen
Zerstäuber-Vor-Filmbildungs-Oberflächen sind
jedoch nicht in der Lage, eine gleichmäßige Dispersion des Films über die
Oberfläche
oder das Verdünnen
der Flüssigkeitsmasse,
während
sie entlang der Oberflächen
stromabwärts
(d. h., weg von der Düse)
fließt,
zu fördern.
Dies kann zu einer nicht-gleichmäßigen Filmdicke,
die Streifen oder Spalten in dem resultierenden Sprühnebel verursachen
und dickeren Filmmassen führen,
die ihrerseits gröbere
Tröpfchengrößen und
eine ineffiziente Zerstäubung
verursachen. Durch Fördern
der Benetzbarkeit der Vor-Filmbildungs-Oberflächen unter
Anwendung hydrophiler oder superhydrophiler Oberflächen-Behandlungen
kann sich ein dünnerer,
gleichmäßigerer
Brennstofffilm auf den Oberflächen
bilden, was zu einer besseren Zerstäubung durch feinere mittlere
Tröpfchengrößen führen kann.
Durch Behandeln der Lippenregionen der Vor-Filmbildungs-Oberflächen mit
den hydrophob-hydrophilen
Hybrid-Oberflächen
können
hydrodynamische Instabilitäten
eingeführt
werden, die zum leichteren Aufbrechen des Filmes und feinerer Tröpfchenbildung
führen.
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Der
Gasturbinen-Flüssigbrennstoff-Injektor 10 der 1 wird
als ein Beispiel zum Identifizieren von Vor-Film bildungs-Oberflächen zum
Bilden von Flüssigkeitsmassen-Filmen
benutzt. In einer beispielhaften Ausführungsform kann der Flüssigkeitsfilm
durch Bilden auf der inneren Oberfläche 27 der Auslassdüse 28 und
der Düsenlippe 29 beginnen.
Während
mehr Brennstoff in die Verbrennungszone 80 injiziert wird,
kann der Brennstoffstrom stromabwärts wandern und einen Film
bilden, der allgemein am Mittelpunkt 54 des stromabwärts gelegenen
Abschnittes 44 des Aufspalters beginnt und sich bis zur
Lippe 71 der Hinterkante 70 erstreckt. Während der
Brennstoff weiter durch den Injektor 20 zugeführt wird,
kann er sich weiter auf den divergenten Abschnitt 66 der
konturierten Wandung 60 ausbreiten und zur Wandlippe 67 hin
fortschreiten. Hydrophile Oberflächen-Behandlungen
in den flachen Oberflächenbereichen,
wie auf der inneren Oberfläche 27 der Auslassdüse 28,
dem Mittelpunkt 54 bis zur Hinterkante 70 des
Pilot-Aufspalters und dem divergenten Abschnitt 66 außerhalb
auf der konturierten Wandung, kann die Brennstofffilm-Gleichmäßigkeit
und die Filmdicke durch Verringern der mittleren Tropfengröße des Brennstoffes
fördern.
Eine Kombination hydrophiler und hydrophober (d. h., hybrider) Oberflächen-Behandlungen
in strategischen Bereichen kann hydrodynamische Oberflächen-Instabilitäten erzeugen,
um die Leistungsfähigkeit
des Zerstäubers
signifikant zu verbessern. Beispiele solcher strategischen Bereiche
für die
Hybrid-Oberflächenbehandlungen
können
die Düsenlippe 29,
die Hinterkantenlippe 71 des Pilot-Aufspalters 40 und
die Lippe 67 der konturierten Wandung einschließen. Solche Behandlungen
können
dann einen feineren und gleichmäßigeren
Sprühnebel
erzeugen.
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Die „Flüssigkeits-Benetzbarkeit” oder „Benetzbarkeit” einer
festen Oberfläche
wird bestimmt durch Beobachten der Natur der Wechselwirkung, die
zwischen der Oberfläche
und einem Tropfen einer gegebenen Flüssigkeit auftritt, der auf
der Oberfläche
angeordnet wird. Eine Oberfläche
mit einer ho hen Benetzbarkeit für die
Flüssigkeit
gestattet dem Tropfen das Ausbreiten über einen relativ weiten Bereich
der Oberfläche
(um dadurch die Oberfläche „zu benetzen”). Im extremen
Fall breitet sich die Flüssigkeit
in einem Film über
die Oberfläche
aus. Wo andererseits die Oberfläche
eine geringe Benetzbarkeit für
die Flüssigkeit
aufweist, bleibt die Flüssigkeit
in einem wohlgeformten ballförmigen
Tropfen (der „nicht
benetzenden” Oberfläche). Im
extremen Fall bildet die Flüssigkeit
kugelförmige
Tropfen auf der Oberfläche,
die bei der geringsten Störung
leicht von der Oberfläche
herabrollen.
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Das
Ausmaß,
in dem eine Flüssigkeit
in der Lage ist, eine feste Oberfläche zu benetzen, spielt eine signifikante
Rolle bei der Bestimmung, wie die Flüssigkeit und der Feststoff
miteinander in Wechselwirkung treten. So genannte „hydrophile” und „superhydrophile” Materialien
haben z. B. eine relativ hohe Benetzbarkeit in Gegenwart von Wasser,
was zu einem hohen Grad der „Ausbreitung” bzw. „Folienbildung” des Wassers über der
festen Oberfläche
führt.
Hydrophile und superhydrophile Oberflächen sind Beispiele benetzender
Oberflächen.
Ein hoher Grad des Benetzens führt
zu relativ großen
Bereichen des Kontaktes zwischen Flüssigkeit und Feststoff und
ist erwünscht
in Anwendungen, wo eine beträchtliche
Menge der Wechselwirkung zwischen den beiden Oberflächen nützlich ist,
wie, z. B., beim Bilden eines gleichmäßigen ultradünnen Films
der Flüssigkeitsmasse
in einem Zerstäuber.
Ein gewöhnlich
akzeptiertes Maß der
Flüssigkeits-Benetzbarkeit
einer Oberfläche
ist der Wert des statischen Kontaktwinkels, der zwischen der Oberfläche und
einer Tangente eines Tropfens einer Vergleichsflüssigkeit am Kontaktpunkt zwischen
der Oberfläche
und dem Tröpfchen
gebildet wird. Geringe Werte des Kontaktwinkels zeigen eine hohe
Benetzbarkeit für
die Bezugsflüssigkeit
auf der Oberfläche
an. Die Bezugsflüssigkeit
kann irgendeine interessierende Flüssigkeit sein. In vielen Anwendungen
ist die Be zugsflüssigkeit
Wasser. In anderen Anwendungen ist die Bezugsflüssigkeit eine Flüssigkeit,
die mindestens einen Kohlenwasserstoff, wie, z. B., Öl, Petroleum,
Gasolin, ein organisches Lösungsmittel
und ähnliches
enthält.
Weil die Benetzbarkeit teilweise von der Oberflächenspannung der Bezugsflüssigkeit
abhängt,
kann eine gegebene Oberfläche
eine unterschiedliche Benetzbarkeit (und somit einen unterschiedlichen
Kontaktwinkel) für
verschiedene Flüssigkeiten
haben.
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Der
Begriff „hydrophil” wird allgemein
benutzt, um Oberflächen
zu beschreiben, die, unter Bezugnahme auf Wasser, einen nominellen
Kontaktwinkel von weniger als etwa 90 Grad erzeugen. „Superhydrophil” wird allgemein
benutzt, um Oberflächen
zu beschreiben, die, unter Bezugnahme auf Wasser, einen nominellen Kontaktwinkel
von weniger als 10 Grad erzeugen. Gleichermaßen wird der Begriff „hydrophob” allgemein
benutzt, um Oberflächen
zu beschreiben, die, unter Bezugnahme auf Wasser, einen nominellen
Kontaktwinkel von mehr als etwa 90 Grad erzeugen. „Superhydrophob” wird allgemein
benutzt, um Oberflächen
zu beschreiben, die, unter Bezugnahme auf Wasser, einen nominellen
Kontaktwinkel von mehr als etwa 150 Grad erzeugen. Hydrophobe und
superhydrophobe Oberflächen
sind daher Beispiele nicht-benetzender Oberflächen.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform
kann ein Zerstäuber
eine Vor-Filmbildungs-Region umfassen, die eine Oberfläche umfasst,
die konfiguriert ist, die mittlere Tropfengröße einer zerstäubten Flüssigkeit
zu verringern, wobei die Oberfläche
einen effektiven Kontaktwinkel, mit Bezug auf die zerstäubte Flüssigkeit,
von weniger als etwa 30 Grad hat. In einer anderen beispielhaften
Ausführungsform
kann ein Zerstäuber
einen Lippenabschnitt aufweisen, der stromabwärts der Vor-Filmbildungs-Region angeordnet und konfiguriert
ist, hydrodynamische Instabilitäten
in einem Flüssigkeitsfilm
zu erzeugen, wobei der Lippenabschnitt ein alternierendes Muster
benetzender und nicht-benetzender Oberflächen umfasst, wobei die nicht-benetzende
Oberfläche
einen Kontaktwinkel, unter Bezugnahme auf die Flüssigkeit, von mehr als 90 Grad
umfasst, und die benetzende Oberfläche einen Kontaktwinkel, unter
Bezugnahme auf die Flüssigkeit,
von weniger als 90 Grad umfasst. In noch einer anderen beispielhaften
Ausführungsform
kann ein Zerstäuber
sowohl die in der ersten Ausführungsform
beschriebene Oberfläche
der Vor-Filmbildungs-Region zusammen mit der benetzenden/nicht-benetzenden
Hybrid-Oberfläche
des Lippenabschnittes, die in der zweiten Ausführungsform beschrieben ist,
einschließen.
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Bezugnehmend
auf 2, kann in einer beispielhaften Ausführungsform
das Substrat 100 eines Zerstäubers eine Oberfläche 110 aufweisen.
Die Oberfläche 110 könnte irgendeine
der oben beschriebenen Oberflächen
sein, wobei eine Vor-Filmbildung
erwünscht
wäre, wie
bei den inneren Oberflächen
des Verwirbelers, der konturierten Wandung oder der Auslassdüse. Die
Oberfläche 110 kann
eine die Oberflächenenergie
modifizierende Überzugsschicht 112 zum
Modifizieren der Oberflächenenergie
der Oberfläche
umfassen. In gewissen Fällen
kann die die Oberflächenenergie
modifizierende Überzugsschicht 112 einen Überzug umfassen, der über der
Oberfläche 110 des
Zerstäuber-Substrates 100 angeordnet
ist. Die Oberfläche 110 kann
mindestens eines von einem Metall, einer Legierung, einem Kunststoff,
einer Keramik oder irgendeiner Kombination daraus umfassen. Die
Oberfläche 110 kann
die Form eines Filmes, einer Folie oder einer massiven Gestalt annehmen.
Die Überzugsschicht 112 kann
ein integraler Teil der Oberfläche 110 sein
oder die Überzugsschicht 112 kann
eine Schicht umfassen, die auf der Oberfläche 110 mittels irgendeiner
Anzahl von Techniken, die im Stande der Technik bekannt sind, aufgebracht
oder abgeschieden ist.
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Die
die Oberflächenenergie
modifizierende Überzugsschicht 112 kann
mindestens ein Material umfassen, ausgewählt aus der Gruppe umfassend
einen hydrophilen Überzug,
wie eine Keramik, ein Verbundmaterial und verschiedene Kombinationen
daraus. Beispiele geeigneter hydrophiler Keramiken schließen, ohne Einschränkung, anorganische
Oxide, Carbide, Nitride, Boride und Kombinationen daraus ein. Solche
Keramikmaterialien schließen
Titan, Silicium, Aluminium, Magnesium, Zirkonium, Zink, Yttrium-stabilisiertes
Zirkoniumdioxid, Magnesiumaluminatspinel und Zinkoxide, Aluminium-
und Galliumnitride, Silicium- und Wolframcarbid, Kobalt-Chrom-Carbid;
Kombinationen daraus und andere ähnliche
Keramiken ein. Das Oberflächenmaterial kann
auf der Grundlage des erwünschten
Kontaktwinkels, der benutzten Herstellungstechnik und der Endverwendung
des Gegenstandes ausgewählt
sein. Die Überzugsschicht-Materialien
und Verfahren zu deren Aufbringung, wie chemische Dampfabscheidung
(CVD), physikalische Dampfabscheidung (PVD) usw., sind im Stande
der Technik bekannt und können
von besonderem Nutzen in harschen Umgebungen sein.
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Die
Oberfläche 110 kann
eine Überzugsschicht 112 umfassen,
die eine nominelle Benetzbarkeit aufweist, die zum Erzeugen eines
nominellen Kontaktwinkels von bis zu etwa 90 Grad genügt. Zum
besseren Verstehen bedeutet ein „nomineller Kontaktwinkel” 114 den
statischen Kontaktwinkel, der gemessen wird, wo ein Tropfen einer
Bezugsflüssigkeit 116 auf
einer flachen, glatten (weniger als 1 mm Oberflächenrauheit) Oberfläche angeordnet
ist. Dieser nominelle Kontaktwinkel 114 ist eine Messung
der „nominellen
Benetzbarkeit” eines Materials,
aus dem die Oberfläche
im Wesentlichen zusammengesetzt ist.
-
In
einer alternativen Ausführungsform
kann die Oberfläche 110 eine
Vielzahl von Oberflächen-Merkmalen 120 um fassen,
wie in 3 gezeigt. Die Größe, Gestalt und Orientierung
der Merkmale 120 haben eine starke Auswirkung auf die Benetzbarkeit
der Oberfläche 110 und,
in den beispielhaften Ausführungsformen, die
hierin offenbart sind, sind diese Parameter derart ausgewählt, dass
die Oberfläche 110 eine
effektive Benetzbarkeit (das ist die Benetzbarkeit der texturierten
Oberfläche)
aufweist, die zum Erzeugen eines effektiven Kontaktwinkels von weniger
als dem nominellen Kontaktwinkel 114, mit Bezug auf Wasser,
genügt.
Die Vielzahl der Oberflächen-Merkmale 120 kann
wirksam sein, eine Oberfläche,
die einen hydrophilen Überzug
aufweist, zu einer Oberfläche
zu verändern,
die superhydrophile Benetzbarkeit hat.
-
Wie
oben ausgeführt,
können
die Größe, Gestalt
und Orientierung der Merkmale 120 derart ausgewählt sein,
dass die Oberfläche 110 eine
superhydrophile Benetzbarkeit zeigt. Die Auswahl beruht auf der
Physik, die der Wechselwirkung der Flüssigkeiten und der festen Oberflächen zugrunde
liegt. Ein Tropfen der Flüssigkeit
verbleibt auf einer texturierten Oberfläche typischerweise in einem
einer Anzahl von Gleichgewichtszuständen. In dem „Cassie”-Zustand,
der in 4A abgebildet ist, sitzt ein
Tropfen 200 auf den Oberflächen-Merkmalen, in diesem Fall Pfosten 212,
der texturierten Oberfläche 210 und
schließt
Lufttaschen zwischen den Pfosten ein. In dem „Wenzel”-Zustand, der in 4B abgebildet
ist, benetzt Tropfen 200 die gesamte Oberfläche 210 und
füllt die
Räume zwischen
den Spitzen 212 mit Flüssigkeit.
Andere Gleichgewichts-Zustände
kann man sich im Allgemeinen als Zwischenzustände zwischen dem reinen Cassie-
und dem reinen Wenzel-Verhalten
vorgestellen, wobei die Tropfen die Räume zwischen den Oberflächenrauheits-Merkmalen
nur teilweise füllen.
Der Begriff „nicht-Wenzel”, wie er
hierin benutzt wird, bezieht sich auf irgendeinen Zustand, der kein
reines Wenzelzustands-Verhalten
zeigt, wobei der Begriff „nicht-Wenzel” reines
Cas siezustands-Verhalten und irgendwelche Zwischenzustände einschließt, die
kein reines Wenzel-Verhalten zeigen.
-
Der
vom Tropfen auf der Oberfläche
eingenommene spezielle Zustand hängt
von der Gesamtenergie des Feststoff/Flüssigkeit/Dampf-Systems ab,
das wiederum eine Funktion der geometrischen Charakteristike – wie Größe, Gestalt
und Orientierung – der
Oberflächenrauheits-Merkmale
des Feststoffes ist. Wo, z. B., der Cassie-Zustand in einer geringeren
Energie als der Wenzel-Zustand resultiert, wird ein auftreffender
Tropfen im Allgemeinen immer das Cassiezustands-Verhalten zeigen.
Selbst in Fällen
jedoch, in denen der Wenzel-Zustand eine geringere Energie zeigt,
kann das nicht-Wenzel-Zustandsverhalten
aufgrund der Existenz einer Energiebarriere zwischen den beiden
Zuständen
aufrechterhalten bleiben, was die Zufuhr von Energie erfordert, um
den Übergang
aus dem „metastabilen” nicht-Wenzel-Zustand
zum Wenzel-Zustand geringerer Energie zu erzielen. Ein Verstehen
der Beziehung zwischen der Oberflächen-Geometrie und der -Energie
ermöglicht
das Entwerfen von Oberflächen,
um erwünschte
Benetzbarkeit-Charakteristika,
einschließlich
Kontaktwinkel und Art des Benetzungszustands-Verhaltens, bereitzustellen,
die durch Flüssigkeit
auf der festen Oberfläche
gezeigt wird.
-
Der
effektive Kontaktwinkel theta (θ*)
auf der texturierten Oberfläche
steht in Beziehung zum nominellen Kontaktwinkel (θ) nach Gleichung
(1) für
den Wenzel-Tropfen (w) und nach Gleichung (2) für den Cassie-Tropfen (c): cos(θw*) = rcos(θ) (1) cos(θc*) = fSLcos(θ) – fLA (2) worin „r” der Textur-Parameter
ist, der definiert ist als die Kontaktfläche für die Oberfläche, dividiert
durch die projizierte Fläche.
Für eine
quadratische Anordnung quadratischer Pfosten ist r durch den folgenden
Ausdruck gegeben: r = 1 + 4(h/a)/(1
+ b/a) 2 (3)worin ”a” die Breite
der Pfosten, ”b” der Abstand
zwischen den Pfosten von Kante zu Kante und ”h” die Höhe der Pfosten ist. Die Ausdrücke für fSL und fLA sind gegeben
durch fSL =
1/(1 + b/a)2; (4)und fLA = 1 – 1/(1 +
b/a)2 (5)
-
Wie
durch die obigen Ausdrücke
ersichtlich, ist der effektive Kontaktwinkel auf texturierten Oberflächen stark
durch Parameter, wie die Größe, den
Abstand und das Aspektverhältnis
der Textur-Merkmale beeinflusst. Das Texturieren einer Oberfläche zum
Erzeugen eines Wenzel-Zustand-Tröpfchens
ist kritisch für das
Bilden einer superhydrophilen Oberfläche. 5 ist eine
grafische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem effektiven
Kontaktwinkel, θw*, für
den Wenzel-Tropfen und dem Textur-Parameter r zeigt. In dieser Figur
ist die Beziehung zwischen dem Oberflächenbereich der Oberfläche (wie
gemessen durch r, das Verhältnis
des tatsächlichen
Oberflächenbereiches
zum projizierten Oberflächenbereich)
und dem mit Wasser gebildeten effektiven Kontaktwinkel für Oberflächen aufgetragen,
die nominelle Kontaktwinkel von 50 Grad, 60 Grad und 70 Grad aufweisen.
Es sollte klar sein, dass der r-Parameter eine Funktion der Geometrie
der Oberfläche ist,
einschließlich
solcher Parameter, wie b/a und h/a, und dass die Natur der speziellen
Funktion von der Konfiguration der Oberfläche abhängt. Die grafische Darstellung
zeigt, dass eine signifikante Verringerung im effektiven Kontaktwinkel
(so gering wie 0 Grad) im Falle eines Wenzel-Tropfens erzielt werden
kann, wenn eine hydrophile Oberfläche (d. h., eine Oberfläche mit
einem nominellen Kontaktwinkel von weniger als 90 Grad) dahingehend
texturiert wird, dass sie Oberflächen-Merkmale
aufweist. Während
die Textur der Oberflächen-Merkmale
dichter (rauer) wird, nimmt der Wert von r zu und der effektive
Kontaktwinkel wird vorteilhaft verringert. Wenn daher ein Gegenstand
eine existierende hydrophile Oberfläche (wie die meisten Metalloberflächen) aufweist
oder die Oberflächen
mit einem hydrophilen Oberflächenüberzug überzogen
worden ist, dann kann die Oberfläche
geeignet texturiert werden durch Auswählen des Textur-Parameters
(r), der in dem erwünschten
geringen oder null betragenden effektiven Kontaktwinkel resultiert,
indem man einen Wenzel-Zustand erzielt.
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Zurückbeziehend
auf 3, kann die Größe von Oberflächen-Merkmalen 120 in
einer Anzahl von Wegen charakterisiert werden. In einigen Ausführungsformen
steht, wie in 3 gezeigt, zumindest ein Untersatz der
Vielzahl von Merkmalen 120 vom Zerstäuber-Substrat 100 hervor.
Darüber
hinaus ist in einigen Ausführungsformen
zumindest ein Untersatz der Vielzahl von Merkmalen eine Vielzahl
von (nicht gezeigten) Hohlräumen,
die in dem Zerstäuber-Substrat 100 angeordnet
ist. Oberflächen-Merkmale 120 umfassen
eine Höhen-Abmessung
(h) 121, die die Höhe
der hervorstehenden Merkmale 120 oder, im Fall von Hohlräumen, die Tiefe
repräsentiert,
bis zu der sich die Hohlräume
in das Zerstäuber-Substrat 100 hinein
erstrecken. Oberflächen-Merkmale 120 umfassen
weiter eine Breiten-Abmessung (a) 124. Die genaue Natur
der Breiten-Abmessung hängt
von der Gestalt des Merkmals ab, ist jedoch als die Breite des Merkmals
an dem Punkt definiert, an dem das Merkmal natürlicherweise einen auf der
Oberfläche
des Gegenstandes angeordneten Flüssigkeitstropfen
kontaktieren würde.
Die Breiten-, Ab stands- und Höhen-Parameter
der Oberflächen-Merkmale 120 können eine
signifikante Auswirkung auf das Benetzungsverhalten haben, das auf
der Oberfläche 110 beobachtet
wird.
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Zahlreiche
Varietäten
von Merkmals-Gestalten sind zum Einsatz als Oberflächen-Merkmale 120 geeignet.
In einigen Ausführungsformen
hat mindestens ein Untersatz der Oberflächen-Merkmale 120 eine
Gestalt, ausgewählt
aus der Gruppe bestehend aus einem Würfel, einem rechteckigen Prisma,
einem Kegel, einem Zylinder, einer Pyramide, einem trapezförmigen Prisma
und einer Halbkugel oder einem anderen kugelförmigen Abschnitt. Diese Gestalten
sind geeignet, unabhängig
davon, ob das Merkmal einen Vorsprung, wie ein Podest, oder ein
Hohlraum, wie eine Rille oder eine Pore ist. Als ein Beispiel umfasst
in speziellen Ausführungsformen
mindestens ein Untersatz der Merkmale Nanodrähte, die Strukturen sind, die
eine seitliche Größe, die
auf einige 10 Nanometer oder weniger beschränkt ist, und eine unbeschränkte Längsgröße haben.
Verfahren zum Herstellen von Nanodrähten aus verschiedenen Materialien
sind im Stande der Technik bekannt und schließen, z. B., chemische Dampfabscheidung
auf einem Substrat ein. Nanodrähte
können
direkt auf Gegenstand 100 gezüchtet oder sie können auf
einem separaten Substrat gezüchtet,
von dem Substrat (z. B. unter Anwendung von Ultraschall) entfernt,
in einem Lösungsmittel
angeordnet und auf Gegenstand 100 übertragen werden, indem man
das Lösungsmittel
auf der Gegenstands-Oberfläche
anordnet und das Lösungsmittel trocknen
lässt.
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Die
Merkmals-Orientierung ist eine weitere Design-Betrachtung beim Einstellen der Oberflächen-Benetzbarkeit
gemäß Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung. Ein signifikanter Aspekt der Merkmal-Orientierung
ist der Abstand der Merkmale. Bezugnehmend auf 3 sind
in einigen Ausführungsformen
Merkmale 120 in einer beabstandeten Beziehung an geordnet,
die durch eine Abstands-Abmessung (b) 126 charakterisiert
ist. Die Abstands-Abmessung 126 ist als der Abstand zwischen
den Kanten der beiden am meisten benachbarten Merkmale definiert.
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In
einigen Ausführungsformen
sind die gesamten Merkmale 120 der Vielzahl in einer nicht-regellosen Verteilung
angeordnet. In einigen Fällen
haben Merkmale 120 im Wesentlichen die gleichen entsprechenden Werte
für h,
a und/oder b („eine
geordnete Anordnung”),
obwohl dies keine allgemeine Anforderung ist. So kann, z. B., die
Vielzahl von Merkmalen 120 eine Ansammlung von Merkmalen
sein, wie, z. B., Nanodrähte, die
eine regellose Verteilung von Größe, Gestalt
und/oder Orientierung zeigen. In gewissen Ausführungsformen ist darüber hinaus
die Mehrzahl von Merkmalen durch eine multimodale Verteilung (z.
B. eine bimodale oder trimodale Verteilung) in h, a, b oder irgendeiner
Kombination davon charakterisiert. Solche Verteilungen können vorteilhaft
eine verbesserte Benetzbarkeit in Umgebungen bereitstellen, in denen
ein Bereich von Tropfengrößen angetroffen
wird. Die Abschätzung
der Auswirkungen von h, a und b auf die Benetzbarkeit erfolgt deshalb
am besten, indem man die distributive Natur dieser Parameter in
Betracht zieht. Techniken, wie Monte Carlo-Simulation, zum Ausführen von
Analysen unter Einsatz von Variablen, die Wahrscheinlichkeits-Verteilungen
repräsentieren,
sind im Stande der Technik bekannt. Solche Techniken können beim
Entwerfen von Merkmalen 120 zum Gebrauch in Gegenständen, wie
sie hierin offenbart sind, angewendet werden.
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In
Abhängigkeit
von der Anwendung des Zerstäubers
kann die Gegenstands-Oberfläche 110 ein
Material sein, das aus einem Metall, wie einem Metall, umfassend
ein Element, ausgewählt
aus der Gruppe bestehend aus Eisen, Titan, Kupfer, Zirkonium, Aluminium
und Nickel, zusammengesetzt ist. In gewissen Ausführungsformen
ist das Material im Wesentlichen vollständig metallisch. In anderen
Ausführungsform
umfasst das Material eine Keramik, wie ein Oxid, typischerweise
Titanoxid, Siliciumdioxid und Zirkoniumoxid. Andere mild bis sehr
hydrophile Materialien, wie, z. B., gewisse polymere Materialien,
können
in Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung eingesetzt werden.
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Spezifische
Bereiche und Kombinationen der Oberflächenmerkmals-Parameter, die
oben beschrieben sind, können
ein Regime bereitstellen, in dem die effektive Benetzbarkeit der
Oberfläche 110 einen
effektiven Kontaktwinkel von weniger als etwa 10 Grad mit einem
Tropfen der Bezugsflüssigkeit
erzeugen kann, in einigen Fällen
kann der effektive Kontaktwinkel bis zu nahe null verringert werden.
Ein derartig geringer Kontaktwinkel auf einer Oberfläche der
Vor-Filmbildungs-Region eines Zerstäubers kann die Bildung eines
ultradünnen
Flüssigkeitsmassenfilmes
auf der Oberfläche
ermöglichen,
was zusammen mit gegenwärtigen
Techniken zum Erzeugen hydrodynamischer Instabilitäten in der
Vor-Filmbildungs-Region zu einer feineren mittleren Tropfengröße und einer
verbesserten Zerstäubung
führt.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform
kann die Oberfläche 110 eine
Vielzahl von Oberflächen-Merkmalen 120 umfassen,
die eine mittlere Merkmalsgröße a und
einen mittleren Merkmalsabstand b aufweisen. Das Verhältnis b/a
zeigt den Abstand der Merkmale an, und, wenn diese Merkmale enger
beieinander stehen, dann nimmt der Kontaktbereich der Oberfläche 110 zu
(d. h., der Textur-Parameter (r) nimmt zu), was mehr Kontaktbereich
für die
Flüssigkeit
bereitstellt. In einigen Situationen gibt es jedoch, teilweise aufgrund
von Beschränkungen
in den Herstellungsverfahren, eine praktische untere Grenze, wie
dicht die Merkmale beieinander stehen können. Darüber hinaus können in
gewissen Anwendungen zu dicht nebeneinander ste hende Oberflächen-Merkmale 120 eine
Situation verursachen, bei der Tröpfchen der Flüssigkeit
zwischen Merkmalen suspendiert werden, ohne die Bereiche zwischen
den Merkmalen 120 zu benetzen. Ein solcher Zustand würde den
effektiven Benetzungsbereich verringern. Wenn sich (a) ändert, der
Abstand (b) aber konstant ist, dann ändert sich die Merkmalsbreite,
doch der Merkmalsabstand ändert
sich nicht. Dies hängt
jedoch davon ab, wie (b) definiert ist, sei es von Merkmalskante
zu Merkmalskante oder von Merkmalszentrum zu Merkmalszentrum.
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Das
Aspektverhältnis
(h/a) der Oberflächen-Merkmale 120 spielt
auch eine Rolle bei der Bestimmung des effektiven Benetzungsverhaltens
der Oberfläche 110.
Im Allgemeinen sind hohe Aspektverhältnisse, wie mindestens etwa
1 und, in einigen Ausführungsformen,
mindestens etwa 4, erwünscht,
weil der Oberflächenbereich
zunimmt, wenn das Aspektverhältnis
zunimmt. In einigen Zerstäubungs-Anwendungen
bei hoher Temperatur, wie sie, z. B., in Gasturbinen gefunden werden,
haben Merkmale hohen Aspektverhältnisses
(h/a mindestens etwa 4) eine erwünschte
Größe und einen
erwünschten
Abstand voneinander, um ein b/a im Bereich von etwa 0,5 bis etwa
6 zu ergeben. Diese Kombination von Parameterwerten ergibt eine
Oberfläche,
die den Überzug
eines ultradünnen
gleichmäßigen Filmes
auf einer Zerstäuber-Oberfläche maximiert.
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Wie
oben ausgeführt,
können
außer
benetzenden (z. B. hydrophilen oder sogar superhydrophilen) Oberflächen in
den Vor-Filmbildungs-Regionen eines Zerstäubers weitere Vorteile erzielt
werden, wenn Kombinationen von benetzenden/nicht-benetzenden (d. h., hydrophil-hydrophoben
oder „hybriden”) Regionen
in strategischen Positionen innerhalb des Zerstäubers angeordnet werden. 6 veranschaulicht
das Brennersystem und den Zerstäuber
von 1. Beispielhafte Stellen für die Hybridflecken wurden
eingekreist und durch Pfeile hervorgeho ben. In dieser Ausführungsform
können
die Hybridflecken an der Düsenlippe 29,
der Hinterkantenlippe 71 des Pilot-Aufspalters 40 und
der Lippe 67 der konturierten Wandung angeordnet sein. Der
Bequemlichkeit halber werden diese Stellen allgemein als Zerstäubungslippen
bezeichnet. 7 veranschaulicht Beispiele
verschiedener Hybridflecken-Konfigurationen. Es wurde festgestellt,
dass die Benutzung der Hybridkonfigurationen hydrodynamische Instabilitäten in einen
Flüssigkeitsmassenfilm über die
hinaus einführen
kann, die für
den Zerstäuber
vorgesehen sind (wie Hochgeschwindigkeitsluft). Die Oberflächen-induzierten Instabilitäten können in
Verbindung mit den durch die Luftströmung induzierten Instabilitäten zusammenarbeiten,
um die Qualität
der Zerstäubung
zu verbessern. In einer beispielhaften Ausführungsform kann ein alternierendes
Muster hydrophober (oder superhydrophober) und hydrophiler (oder
superhydrophiler) Textur benutzt werden, um die Oberflächen-induzierten Instabilitäten zu erzeugen.
Wie, z. B., in 7 gezeigt, kann ein Hybridflecken 450 vertikal
oder horizontal orientierte alternierende Streifen hydrophiler Textur 452 und hydrophober
Textur 454 aufweisen. In einer anderen Ausführungsform
kann ein Hybridflecken 460 ein Gittermuster hydrophober
Regionen 464 bilden, das von Regionen 462 hydrophiler
Textur geschnitten ist. So können,
z. B., alternierende Flecken hydrophil-hydrophober Oberfläche unter
Anwendung von Maskierungstechniken ähnlich denen, die in der Fotolithografie
benutzt werden, ausgeführt
werden. Ein solches Verfahren ist dem Fachmann bekannt, wobei eine
Chemikalie benutzt wird, das erwünschte
benetzende oder nicht benetzende Muster auf die Oberfläche zu ätzen, während der
Rest der Oberfläche
durch eine Widerstandsmaske geschützt ist. Das gleiche Herangehen
kann nicht nur zum Erzeugen der Hybridflecken in zwei Stufen benutzt werden,
sondern auch zum Maskieren der Bereiche der Oberfläche, an
denen die Oberflächen-Behandlung nicht
erwünscht ist.
Ein anderes Verfahren zum Erzeugen von Hybridoberflächen ist
das Ausführen
des Mikrokontakt-Druckens.
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Die
Streifen hydrophober Textur 454, 464 sind Bereiche
geringer Benetzbarkeit im Vergleich zu den hydrophilen Streifen 452, 462.
Hydrophobe Materialien haben eine relativ geringe Flüssigkeits-Benetzbarkeit, um
die Bildung von Flüssigkeitstropfen
zu fördern,
die einen minimalen Kontaktbereich mit der Oberfläche 110 aufweisen.
Superhydrophobe Materialien haben noch eine geringere Wasser-Benetzbarkeit,
was zu Oberflächen
führt,
bei denen Wasser, das auf die Oberfläche auftrifft, abgestoßen wird.
Die Natur der hydrophoben Regionen benachbart hydrophilen Regionen
erzeugt eine Oberflächen-Instabilität in dem
Flüssigkeitsmassenfilm
an den Zerstäuberlippen,
weil dies die Stelle ist, an welcher der Film aufgrund der Luftströmung auf
dem Film in Tröpfchen
aufzubrechen beginnt. Durch Benutzen der Hybridoberflächen in
dieser Region erhöht
diese Instabilität
die gesamte hydrodynamische Instabilität, was bei der Zerstäubung erwünscht ist
und zu feineren Tröpfchengrößen führt. Die
Kante der Vor-Filmbildungs-Lippe ist ein geeigneter Ort zum Erzeugen
hydrodynamischer Instabilitäten
und zum Verdünnen
der Flüssigkeitsfolie,
unmittelbar vor der Disintegration der Folie in Bänder und
Tropfen.
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Die
Regionen hydrophober Oberfläche
können
eine Textur haben, die eine Vielzahl von Merkmalen umfasst, wie
es für
die hydrophilen Oberflächen
oben beschrieben wurde. Die Oberflächen-Merkmale haben jedoch
Gestalten und Parameter, die besser geeignet sind zum Bereitstellen
einer Oberfläche
mit geringerer effektiver Benetzbarkeit als der nominellen Benetzbarkeit,
die dem Material innewohnt, aus dem die Oberfläche hergestellt ist. Die so
entworfenen und hergestellten Oberflächen haben eine ausgewählte Benetzbarkeit für Wasser
und Öl,
um Oberflächen-Instabilitäten in Zerstäuber-Lippenbereichen des
Brennersystems 10 zu verursachen. In einer Ausführungsform
ist der nominelle Kontaktwinkel, mit Bezug auf Wasser, größer als
etwa 100 Grad, spezifische größer als
etwa 120 Grad und noch spezifischer größer als etwa 150 Grad.
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In
beispielhaften Ausführungsformen
umfassen die Regionen hydrophober Oberfläche 454, 464 Oberflächen-Texturen
mit hohem Kontaktwinkel (geringer Benetzbarkeit) für Wasser
und Öl
und ebenfalls für
ein leichtes Abrollen der Tropfen. Durch richtige Auswahl von b/a
und h/a, gekoppelt mit der richtigen Auswahl von Materialien auf
der Grundlage der Anwendungs-Umgebung, kann eine Oberfläche derart
entworfen werden, dass Flüssigkeitstropfen,
die auf die Oberfläche
auftreffen, hydrophobe und ölbeständige Eigenschaften
zeigen, kombiniert mit einem einfachen Abroll-Verhalten. Demgemäß umfassen
die Oberflächen-Merkmale
eine Höhenabmessung
(h), eine Breitenabmessung (a) und eine Abstandabmessung (b) derart,
dass das Verhältnis b/a
geringer als etwa 4 ist und das Verhältnis h/a geringer als etwa
10 ist. In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Parameter
a geringer als etwa 25 Mikrometer (μm), spezifisch geringer als
etwa 10 μm
und noch spezifischer geringer als etwa 2 μm. In einigen Ausführungsformen
kann b/a in einem Bereich von etwa 0,3 bis etwa 10, spezifisch etwa
0,5 bis etwa 2 liegen und h/a kann in einem Bereich von etwa 0,5
bis etwa 5, spezifisch bis etwa 0,5 bis etwa 1 liegen.
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Die
Oberflächen-Merkmale
sowohl für
die hydrophile Oberfläche 110 als
auch die Hybridkonfigurationsflecken 450, 460 können durch
eine Anzahl von Verfahren hergestellt und der Zerstäuber-Oberfläche 100 verliehen
werden. In einigen Ausführungsformen
können
die Oberflächen-Merkmale
direkt auf der Oberfläche 110 hergestellt
werden. In anderen Ausführungsformen
können
die Oberflächen-Merkmale
separat hergestellt und dann auf der Oberfläche 100 angeordnet
werden. Das Anordnen der O berflächen-Merkmale
auf dem Substrat 100 kann durch individuelles Anbringen
der Merkmale erfolgen oder die Merkmale können auf einem Film, einer
Folie oder einem anderen geeigneten Medium angeordnet werden, das
dann an dem Substrat 100 angebracht wird. Das Befestigen
kann in jedem Fall durch irgendein geeignetes Verfahren erfolgen,
wie, darauf jedoch nicht beschränkt,
Schweißen,
Hartlöten,
mechanisches Befestigen oder Ankleben mittels Epoxy- oder anderem
Klebstoff, thermisches Spritzen und Ähnliches.
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Die
Anordnung der Oberflächen-Merkmale
kann durch Anordnen von Material auf der Oberfläche des Gegenstandes, durch
Entfernen von Material von der Oberfläche oder eine Kombination von
sowohl Anordnen als auch Entfernen erfolgen. Im Stande der Technik
sind viele Verfahren zum Hinzufügen
oder Entfernen von Material von einer Oberfläche bekannt. So kann, z. B.,
einfaches Aufrauen der Oberfläche
durch mechanische Operation, wie Schleifen, Sandstrahlen, Schrothämmern und Ähnliches
geeignet sein, wenn entsprechende Medien/Werkzeuge und Oberflächen-Materialien
ausgewählt
sind. Solche Operationen werden im Allgemeinen in einer Verteilung
regellos orientierter Merkmale auf der Oberfläche resultieren, während die
Größe der Merkmale
signifikant von der Größe der Medien
und/oder Werkzeuge abhängt,
die für
die Operation der Materialentfernung eingesetzt wurden. Das allgemeine
Aufrauen von Oberflächen
zum Fördern
besseren Benetzens kann dazu benutzt werden, Oberflächen-Merkmale
zu erzeugen. Gewisse Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung erfordern jedoch die Kontrolle über spezifische
Parameter, wie relativen Abstand und Aspektverhältnis der Oberflächen-Merkmale,
um eine verbesserte oder verringerte Benetzung bereitzustellen. Viele
der Parameter-Bereiche
und -Kombinationen sind sehr schwierig oder unmöglich durch Anwendung traditionell
beschriebener Aufrauhungsverfahren, wie Sandstrahlen, z. B., zu
erzielen.
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Lithografische
Verfahren werden gewöhnlich
benutzt, um Oberflächen-Merkmale
auf ätzbaren
Oberflächen,
einschließlich
Metall-Oberflächen,
zu erzeugen. Mit diesen Verfahren können geordnete Reihen von Merkmalen
bereitgestellt werden; die untere Grenze der Merkmalsgröße, die
mit diesen Techniken erhältlich ist,
ist durch die Auflösung
des speziell angewendeten lithografischen Verfahrens begrenzt. Lithografie
und andere Ätzverfahren
sind wegen der Neigung zum „Unterschneiden”, d. h.,
seitlich ebenso wie vertikal zu ätzen, im
Allgemeinen nicht gut geeignet für
die Bildung von Merkmalen mit hohem Aspekt-Verhältnis auf einigen Metall-Oberflächen.
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Elektroplattierungs-Verfahren
werden auch üblicherweise
benutzt, um Oberflächen-Merkmale
hinzuzufügen.
Eine elektrisch leitende Oberfläche
kann in einer gemusterten Reihe maskiert werden, um Bereiche freizulegen,
auf denen Merkmale angeordnet werden sollen, und die Merkmale können auf
diesen freigelegten Regionen durch Plattieren aufgebaut werden.
Dieses Verfahren gestattet die Erzeugung von Merkmalen mit höheren Aspekt-Verhältnissen
als bei solchen, die üblicherweise
durch Ätztechniken
erzielt werden. In speziellen Ausführungsformen erfolgt das Maskieren
durch den Einsatz einer anodisierten Aluminiumoxid (AAO)-Schablone
mit einer gut kontrollierten Porengröße. Material wird durch die
Poren auf das Substrat elektroplattiert und die AAO-Schablone wird
dann selektiv entfernt; dieses Verfahren wird üblicherweise im Stande der
Technik angewendet, um Merkmale hohen Aspektverhältnisses, wie Nanostäbe, herzustellen.
Nanostäbe aus
Metall und Metalloxiden können
unter Anwendung üblicherweise
bekannter Behandlung abgeschieden werden, und diese Materialien
können
weiter (z. B. durch Karburisierung) behandelt werden, um verschiedene Keramikmaterialien,
wie Carbide, zu bilden. Wie detaillierter unten beschrieben wird,
können Überzüge oder an dere
Modifikations-Techniken auf die Merkmale angewendet werden, um noch
bessere Benetzbarkeits-Eigenschaften bereitzustellen.
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Mikromaschinelle
Techniken, wie mikromaschinelles Bearbeiten mit Laser (üblicherweise
für Silicium und
korrosionsbeständige
Stähle,
z. B., benutzt) und Ätztechniken
(z. B. solche, die üblicherweise
für Silicium benutzt
werden) sind ebenfalls geeignete Verfahren. Solche Techniken können benutzt
werden, um Hohlräume (wie
beim Laserbohren) ebenso wie hervorstehende Merkmale zu bilden.
Wo die Vielzahl der Oberflächenmerkmale
Hohlräume
einschließt,
kann der Gegenstand in einigen Ausführungsformen ein poröses Material, wie,
z. B., ein anodisiertes Metalloxid, umfassen. Anodisiertes Aluminiumoxid
ist ein spezielles Beispiel eines porösen Materials, das zur Anwendung
in einigen Ausführungsformen
geeignet sein kann. Anodisiertes Aluminiumoxid umfasst typischerweise
säulenförmige Poren,
und Poren-Parameter, wie Durchmesser und Aspektverhältnis, können durch
das Anodisierungsverfahren unter Anwendung von Verfahrens-Kontrollen,
die im Stande der Technik bekannt sind, um eine Schicht aus Metall
in eine Schicht aus porösem
Metalloxid umzuwandeln, genau kontrolliert werden.
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Hartlot-Techniken
können
benutzt werden, um Oberflächen-Merkmale
an dem Gegenstand anzubringen. Bei diesem Verfahren kann eine Überzugsmischung
auf der Oberfläche
des Gegenstands-Substrates abgeschieden werden, wobei die Überzugsmischung
ein Hartlotmaterial und ein Textur bereitstellendes Material umfassen
kann. Das Hartlotmaterial kann dann erhitzt werden, um das Textur
bereitstellende Material an die Oberfläche des Gegenstandes zu binden.
In einem anderen Verfahren können
die Oberflächen-Merkmale über ein
thermisches Spritz- oder Kaltspritz-Verfahren hinzugefügt werden.
So kann, z. B., eine Mischung aus Teilchen (von Nano-Größe oder
Mikro- Größe) und
einem Binder auf der Oberfläche
des Gegenstands-Substrates zum
Bilden einer hydrophilen oder hydrophoben Oberfläche abgeschieden werden. Die
Mischung kann ohne Schmelzen der Teilchen abgeschieden werden, um
die richtige Textur der Oberfläche
sicherzustellen.
-
Kurz
gesagt, kann irgendeine Anzahl von Abscheidungs-Verfahren oder Material-Entfernungsverfahren,
die im Stande der Technik bekannt sind, zum Bereitstellen von Merkmalen
auf einer Oberfläche
benutzt werden. Wie oben beschrieben, können die Oberflächen-Merkmale
direkt auf Substrat 100 aufgebracht oder auf ein Substrat
aufgebracht werden, das dann am Substrat 100 angebracht
wird.
-
Die
Natur der Anwendung bestimmt das Ausmaß, zu dem Merkmale auf dem
Gegenstand anzuordnen sind. Ungleichmäßige Filmschichten, die dicker
als erwünscht
sind, führen
zu einer Brenner-Ineffizienz und zum erhöhten Brennstoffverbrauch und
zu erhöhten
Kosten. Zerstäuber,
die Oberflächen
aufweisen, die zur Förderung
der Zerstäubung
einer Flüssigkeit
konfiguriert sind, wie hierin offenbart, können die Gleichförmigkeit und
Tröpfchengröße eines
Sprühnebels
verbessern und die Effizienz von Brennersystemen erhöhen. Die
vorerwähnten
Ausführungsformen
präsentieren
klare Vorteile gegenüber
existierenden Zerstäubungs-Systemen und
solche Oberflächen
umfassenden Turbinen-Komponenten. Zusätzlich können diese Zerstäubungs-Oberflächen die
Leistungsfähigkeit
von Brennstoff-Verdampfern verbessern. Diese Vorrichtungen erzeugen
Brennstoffdampf, der dann mit einem inerten Gas oder Dampf vermischt
werden kann, sodass Brennstoff in Vormischern verbrannt werden kann,
die für
die Injektion gasförmigen
Brennstoffes vorgesehen sind. Brennstoff-Verdampfer können ein
wichtiges Mittel zum Verbrauchen flüssiger Brennstoffe in existierenden
Trocken-Brennersystemen mit geringen Emissionen werden, ohne eine
sekundäre Sprühverbrennungs-Fähigkeit
zu entwickeln. Die verbesserte Zerstäubung, die durch die Oberflächen-Behandlungen
und -Überzüge bereitgestellt wird,
wie hierin offenbart, könnte
die erforderliche Wärmezuführung in
einen Brennstoff-Verdampfer verringern und die Verdampfer-Effizienz
verbessern.
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Das
folgende Beispiel dient der Veranschaulichung der Merkmale und Vorteile,
die durch die Ausführungsformen
der vorliegenden Offenbarung geboten werden, und sie sollen nicht
darauf beschränken.
-
BEISPIELE
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Beispiel 1
-
Silicium-Substrate
wurden mittels Lithografie mit aufrechten rechteckigen Prismapfosten-Merkmalen von
etwa 3 μm
in der Breite (a) und mit einer Vielfalt von Pfostenabständen (b/a-Verhältnissen)
und Aspekt-Verhältnissen
(h/a) bereitgestellt. Die Substrate wurden dann in einer Kammer
mit einem Fläschchen
flüssigen
Fluorsilans (FS) angeordnet und die Kammer wurde evakuiert, um das
Verdampfen und Kondensieren der Flüssigkeit aus der Gasphase auf
dem Silicium-Substrat zu gestatten, wodurch ein hydrophiler Film
auf der Oberfläche
erzeugt wurde. Der effektive Wenzelzustands-Kontaktwinkel wurde
als eine Funktion des b/a-Verhältnisses
aufgezeichnet.
8 veranschaulicht grafisch den
Trend der Variierung des b/a-Verhältnisses
zum Reduzieren des effektiven Kontaktwinkels. Drei Oberflächen mit
nominellen Kontaktwinkeln (CA
n) von 50,
60 bzw. 70 Grad wurden mit den rechteckigen Oberflächen-Pfostenmerkmalen
texturiert. Wie in
8 gezeigt, wird der effektive
Kontaktwinkel verringert (bis zu etwa null Grad), wenn der relative
Abstand zwischen jedem Pfosten verringert wird. Darüber hinaus
kann das Erhöhen
des Aspekt-Verhältnisses
im Verringern des Kontaktwinkels für den gleichen Abstand resultieren,
weil es energetisch günstig
ist, mehr Fläche
zu benetzen. Messungen auf Siliciumscheiben mit quadratischen Podesten
zeigen, dass für
einen gewissen Bereich von b/a der Kontaktwinkel so gering wie null
Grad ist. Diese Resultate sind unten in Tabelle 1 gezeigt, wo die
Parameter (Höhe,
Breite und Abstand) der Oberflächen-Merkmale
einen etwa null Grad betragenden effektiven Kontaktwinkel erzeugen. Tabelle 1
| a
(μm) | b
(μm) | Aspekt-Verhältnis (h/a) | Effektiver
Kontaktwinkel (Grad) |
| 3 | 1 | 3,3 | 0 |
| 3 | 1,5 | 3,3 | 0 |
| 3 | 2 | 3,3 | 0 |
| 3 | 3 | 3,3 | 0 |
| 3 | 4,5 | 3,3 | 0 |
| 3 | 6 | 3,3 | 0 |
| 15 | 5 | 1,6 | 0 |
| 15 | 7,5 | 1,6 | 0 |
| 15 | 15 | 1,6 | 0 |
| 15 | 11,3 | 1,6 | 0 |
-
9 zeigt
weiter Beispiele der Oberflächen-Pfostenmerkmale,
die konfiguriert sind, um Wenzelzustands-Tropfen zu bilden und die geringen effektiven
Kontaktwinkel zu erzeugen, die in der obigen Tabelle gezeigt sind.
Das obere Beispiel veranschaulicht Pfostenmerkmale mit einer pyramidalen
oberen Oberfläche. Das
mittlere Beispiel veranschaulicht Pfostenmerkmale mit einer erhöhten pyramidalen
oberen Oberfläche, wobei
die Merkmale eine größere Höhen-Abmessung
als das obere Beispiel aufweisen und die Pyramidengestalt nicht
das gesamte Merkmal abdeckt. Schließlich veranschaulicht das untere
Beispiel Pfostenmerkmale mit einer halbkugelförmigen oberen Oberfläche.
-
10 zeigt
die Fotografien von Öltröpfchen auf
Silicium-Pfosten mit unterschiedlichen b/a-Verhältnissen. 10 führt den
nominellen Kontaktwinkel von Öl
auf verschiedenen Oberflächenmerkmals-Parametern
auf. Das eingesetzte Öl
war ein Maschinenschmieröl
Terasitic GT 32®,
das kommerziell von Exxon Mobil erhältlich ist. Die Oberflächen haben
eine allgemein oleophobe Natur. Die Einfachheit des Abrollens wurde
gemessen durch Bestimmen des Kippwinkels aus der Horizontalen, der
erforderlich ist, bevor ein Tropfen von der Oberfläche herunterrollen
wird. Ein Tropfen, der einen nahezu vertikalen Kippwinkel erfordert,
ist stark an der Oberfläche
befestigt, während
ein Tropfen, der ein leichtes Abrollen zeigt, einen sehr kleinen
Kippwinkel erfordert, um von der Oberfläche abzurollen. Regionen 5
und 6 waren die einzigen Regionen, bei denen Öltröpfchen von den Pfosten rollten.
Die Öltröpfchen hatten
ein Volumen von 2 und 4 Mikrolitern (μl). Zum Vergleich wurden die
gleichen Merkmale mit Wassertröpfchen ähnlichen
Volumens getestet. Mit Wasser als einer Bezugsflüssigkeit rollten die Tröpfchen von
den Regionen 5 bis 10 herunter. Auf der Grundlage des Abroll-Datums auf
den glatten Siliciumscheiben, die mit FS überzogen waren, wurde der Festhalte-Parameter
zu 0,029 N/m (Newton pro Meter) errechnet. Der Parameter wurde unter
Benutzung eines Goniometers getestet und auf der Grundlage der Gleichung
berechnet: ρVgsinθ = μl, worin ρ die Dichte
der Flüssigkeit
ist, V das Volumen des Tropfens ist, g die Schwerkraft ist, θ der Kontaktwinkel
ist, μ der
Festhalte-Parameter
ist und l die Kontaktlinien-Länge
ist. Für
Wasser liegt der Festhalte-Parameter in der Größenordnung von 0,013 N/m. Aus
diesen Daten ist ersichtlich, dass ein verschiedenes Oberflächenmerkmal-Design
für oleophobe
Oberflächen-Anwendungen
benötigt
wird, verglichen mit hydrophoben Oberflächen.
-
Beispiel 2
-
11 ist
eine grafische Darstellung der effektiven Kontaktwinkel (Grad) in
Abhängigkeit
vom relativen Abstand der Oberflächen-Merkmale
(Abstands-Abmessung (b), dividiert durch die Breitenabmessung (a)).
Die grafische Darstellung zeigt eine Vielfalt hydrophiler/superhydrophiler
Oberflächen,
die in den Vor-Filmbildungs- und/oder Lippenregionen eines Zerstäubers eingesetzt
werden könnten.
Die Oberflächen-Merkmale waren Pfosten,
die von der Oberfläche
aus vorstanden und eine Breitenabmessung (a) von etwa 3 μm aufwiesen. Wie
in der Figur ersichtlich, nahm der effektive Kontaktwinkel der Oberfläche von
etwa 25 Grad bis etwa 40 Grad zu, wenn der relative Abstand der
Pfostenmerkmale von etwa 4 zu etwa 10 erhöht wurde. War der relative Abstand
der Merkmale enger (z. B. ein b/a von weniger als etwa 4), dann
betrug der effektive Kontaktwinkel der Oberfläche etwa null Grad oder vollständiges Benetzen.
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Hierin
offenbarte Bereiche sind einschließlich und kombinierbar (z.
B. Bereiche von „bis
zu etwa 25 Gew.-% oder spezifischer etwa 5 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-%” schließen die
Endpunkte und alle Zwischenwerte der Bereiche von „etwa 5
Gew.-% bis etwa 25 Gew.-%” usw.
ein). „Kombination” schließt Gemenge,
Mischungen, Legierungen, Reaktionsprodukte und Ähnliche ein. Die Begriffe „erster”, „zweiter” und Ähnliche
sollen hierin keine Reihenfolge, Quantität oder Bedeutung bezeichnen,
sondern sie werden vielmehr benutzt, um ein Element vom anderen
zu unterscheiden, und die Begriffe „ein” und „eine” bezeichnen keine Begrenzung der
Menge, sondern bezeichnen die Anwesenheit von mindestens einer der
angesprochenen Sachen. Die Modifizierung „etwa”, die in Verbindung mit einer
Menge benutzt wird, ist einschließlich des genannten Wertes
und hat die durch den Zusammenhang diktierte Bedeutung (z. B. schließt sie den
Fehlergrad ein, der mit der Messung der speziellen Menge verbunden
ist). Der Anhang „(e/en)”, wie er
hierin benutzt wird, soll sowohl den Singular als auch den Plural
des Begriffes einschließen,
den es modifiziert, wobei ein oder mehr dieses Begriffes eingeschlossen
werden (so schließt,
z. B., Färbemittel
ein oder mehrere Färbemittel
ein). Die Bezugnahme auf „eine
Ausführungsform”, „eine andere
Ausführungsform” usw. in
dieser Beschreibung bedeutet, dass ein spezielles Element (z. B.
Merkmal, Struktur und/oder Charakteristikum, das in Verbindung mit
der Ausführungsform
beschrieben wurde, in mindestens einer hierin beschriebenen Ausführungsform
eingeschlossen ist und in anderen Ausführungsformen vorhanden sein
kann aber nicht zu sein braucht. Zusätzlich sollte klar sein, dass
die beschriebenen Elemente in irgendeiner geeigneten Weise in den
verschiedenen Ausführungsformen kombiniert
werden können.
-
Während die
Erfindung unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform
beschrieben wurde, sollte klar sein, dass verschiedene Änderungen
vorgenommen und Äquivalente
anstelle von Elementen eingesetzt werden können, ohne den Umfang der Erfindung
zu verlassen. Zusätzlich
können
viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine spezielle Situation
oder ein spezielles Material an die Lehren der Erfindung anzupassen,
ohne deren wesentlichen Umfang zu verlassen. Es ist daher beabsichtigt,
dass die Erfindung nicht auf die spezielle Ausführungsform beschränkt ist,
die als die beste Art der Ausführung
dieser Erfindung vorgesehen ist, sondern dass die Erfindung alle
Ausführungsformen
einschließt,
die in den Umfang der beigefügten
Ansprüche
fallen.
-
Ein
Zerstäuber
12,
umfassend eine Vor-Filmbildungs-Region
27,
54,
66 und
einen Lippenabschnitt
29,
71,
67, der
an einem Ende der Vor-Filmbildungs-Region angeordnet und konfiguriert ist,
hydrodynamische Instabilitäten
in einem Flüssigkeitsfilm
zu erzeugen, wobei der Lippenabschnitt ein alternierendes Muster
benetzender
110,
210,
452,
462 und
nicht-benetzender Oberflächen
110,
210,
454,
464 umfasst,
worin die nicht-benetzende Oberfläche einen Kontaktwinkel, mit
Bezug auf die Flüssigkeit,
von mehr als 90 Grad umfasst und die benetzende Oberfläche einen
Kontaktwinkel, mit Bezug auf die Flüssigkeit, von weniger als 90
Grad umfasst. Bezugszeichenliste
| 10 | Gasturbinen-Brennstoffinjektor |
| 12 | Zerstäuber |
| 14 | Äußere Wandung |
| 16 | Äußerer Pilot-Verwirbeler |
| 18 | Innerer
Verwirbeler |
| 20 | Pilot-Brennstoffinjektor |
| 22 | Aufnahmeseite |
| 24 | Auslassseite |
| 26 | Körper |
| 27 | Innere
Oberfläche
der Auslassdüse |
| 28 | Auslassdüse |
| 29 | Düsenlippe |
| 30 | Verwirbeler-Aufnahmeseite |
| 32 | Verwirbeler-Auslassseite |
| 40 | Pilot-Gebläse-Aufspalter |
| 42 | Stromaufwärts gelegener
Abschnitt |
| 44 | Stromabwärts gelegener
Abschnitt |
| 46 | Vorderkante |
| 48 | Durchmesser
des stromaufwärts
gelegenen Abschnittes |
| 49 | Symmetrieachse |
| 50 | Innere
Oberfläche |
| 52 | Hinterkante |
| 54 | Mittelpunkt |
| 56 | Durchmesser |
| 58 | Hinterkanten-Durchmesser |
| 60 | Konturierte
Wandung |
| 62 | Scheitel |
| 64 | Konvergenter
Abschnitt |
| 66 | Divergenter
Abschnitt |
| 67 | Wandlippe |
| 70 | Hinterkante |
| 71 | Lippe |
| 80 | Verbrennungszone |
| 90 | Pilot-Brennstoffkreislauf |
| 100 | Substrat |
| 110 | Oberfläche |
| 112 | Oberflächenenergie
modifizierende Überzugsschicht |
| 114 | Nomineller
Kontaktwinkel |
| 116 | Bezugsflüssigkeit |
| 120 | Oberflächen-Merkmale |
| 121 | Höhenabmessung
h |
| 124 | Breitenabmessung
a |
| 126 | Abstandsabmessung
b |
| 200 | Tröpfchen |
| 210 | Oberfläche |
| 212 | Oberflächen-Merkmale |
| 220 | Breitenabmessung
a |
| 240 | Abstandsabmessung
b |
| 450 | Hybrid-Oberflächenflecken |
| 452 | Hydrophile
Oberflächentextur |
| 454 | Hydrophobe
Oberflächentextur |
| 460 | Hybridoberflächenflecken |
| 462 | Hydrophile
Texturregionen |
| 464 | Hydrophobe
Texturregionen |
| 400 | Industrielles
Gasturbinentriebwerk |
| 410 | Ringförmiges Kanister-Verbrennungssystem |
| 412 | Brennergehäuse |
| 414 | Deckelbaueinheit |
| 416 | Brennstoffdüsen-Baueinheiten |
| 418 | Strömungshülse |
| 420 | Äußere Wandung |
| 422 | Übergangskanal |
| 424 | Radialer
Flansch |
| 430 | Brennerauskleidung |