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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Modulation mindestens eines Flüssigkeitsstrahls, die insbesondere zur Reinigung von Oberflächen einsetzbar ist und dabei auf eine zu reinigende Oberfläche gerichtet ist.
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Oberflächen werden häufig in Bädern gereinigt und dabei die Reinigungswirkung durch in die Reinigungsflüssigkeit eingekoppelte Schallwellen unterstützt. Dabei können aber bestimmte insbesondere schwer zu reinigende Oberflächenbereiche häufig nicht ausreichend berücksichtigt werden, so dass keine gleichmäßige Reinigungswirkung der gesamten Oberfläche erreicht werden kann.
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Es ist auch bekannt, Flüssigkeitsstrahlen auf eine zu reinigende Oberfläche zu richten. Dabei wird Einfluss auf den Flüssigkeitsstrahl genommen, indem der aus einer Düse austretende Volumenstrom verändert wird. Dies kann durch eine geregelte Änderung des Druckes der zugeführten Flüssigkeit und/oder der Veränderung des freien Querschnitts einer Düsenöffnung erreicht. Der Druck wird dabei mittels Ventilen und der freie Querschnitt mit mechanischen Elementen geregelt oder gesteuert verändert. Dabei erfordert aber eine Veränderung ein gewisses Maß an Zeit, so dass mit der entsprechend großen Zeitkonstante die Beeinflussung nur entsprechend langsam vollzogen werden kann.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Steigerung der Reinigungswirkung und/oder eine Verringerung der erforderlichen Reinigungszeit mit geringem anlagentechnischen Aufwand und Kosten zu erreichen, wobei auch eine einfache Anpassung an eine jeweilige Reinigungsaufgabe möglich sein soll.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, die die Merkmale des Anspruchs aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist mindestens ein in einem Gehäuse angeordnetes piezoelektrisches Element auf, mit dem bei angelegter elektrischer Wechselspannung oder gepulster elektrischer Gleichspannung eine translatorische Bewegung einer Hubscheibe erreichbar ist. Die Hubscheibe verändert das Volumen eines Hohlraums in Abhängigkeit der elektrischen Spannung, die an das mindestens eine piezoelektrische Element angelegt ist, sowie der Frequenz der elektrischen Wechsel- oder Gleichspannung. Außerdem sind mindestens eine düsenförmige Öffnung durch die ein Flüssigkeitsstrahl austritt aus der Vorrichtung sowie eine Zulauföffnung für eine unter einem statischen Druck in den Hohlraum geförderte Flüssigkeit vorhanden.
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Bis auf die düsenförmige Öffnung und die Zulauföffnung sollte der Hohlraum abgeschlossen bzw. abgedichtet sein.
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Der freie Querschnitt der düsenförmigen Öffnung(en) muss dabei nicht verändert werden, wenn die Energie und der Impuls des auf eine zu reinigende Oberfläche gerichteten Flüssigkeitsstrahls durch eine Veränderung des Druckes der Flüssigkeit variiert werden soll. Die Variation kann in einem sehr großen Frequenzbereich und in kurzer Zeit erreicht werden, wodurch auch eine Anpassung an für eine Reinigung besonders geeignete Frequenz und auch eine Resonanzfrequenz möglich ist. Die Frequenzen und Impulsenergie können sehr schnell in kurzer Zeit verändert werden.
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Zwischen dem mindestens einen piezoelektrischen Element, das innerhalb des Gehäuses einseitig abgestützt ist, und der Hubscheibe sollte vorteilhaft eine Druckfeder angeordnet sein, mit der eine Vorspannung der Hubscheibe gegen den Flüssigkeitsdruck im Hohlraum erreicht werden kann.
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Da mit einem einzigen piezoelektrischen Element eine relativ geringe Volumenänderung des Hohlraums bei angelegter elektrischer Spannung erreichbar ist, ist es günstig, wenn mindestens fünf, bevorzugt mindestens zehn piezoelektrische Elemente in Form eines Stapels zur Vergrößerung der Hubbewegung der Hubscheibe vorhanden sind.
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Das Modulationsvolumen des Flüssigkeitsstrahls kann durch gezielte Auswahl der Größe der Fläche der Hubscheibe, die eine Wandung des Hohlraumes bildet, beeinflusst werden. Eine entsprechend ausreichende Veränderung des Volumens im Inneren des Hohlraums kann auch gesichert werden, indem die Fläche der Hubscheibe vergrößert wird. Damit kann gesichert werden, dass auch bei kleinen translatorischen Auslenkbewegungen des/der piezoelektrischen Elemente(s) eine entsprechend große Modulation des Volumens des Hohlraums erreicht werden kann, die zur Modulation und temporären Veränderung der kinetischen Energie des aus der mindestens einen düsenförmigen Öffnung austretenden Flüssigkeitsstrahls nutzbar ist.
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Selbstverständlich können das Volumen des Hohlraums und die Modulation des aus einer düsenförmigen Öffnung austretenden Flüssigkeitsstrahls auch mittels der Höhe der an das/die piezoelektrischen Elemente(s) angelegten elektrischen Spannung beeinflusst werden.
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Zur Variation des Auftreffwinkels des aus der mindestens einen düsenförmigen Öffnung austretenden modulierten Flüssigkeitsstrahls auf eine Oberfläche kann die Vorrichtung um mindestens eine Achse verschwenkbar sein. Eine Variation des Auftreffwinkels kann aber auch um mehrere Achsen erfolgen. Dabei kann die Vorrichtung kardanisch gehalten sein. Eine solche Verschwenkung kann auch mit einem Gleichlaufgelenk erreicht werden, an dem die Vorrichtung befestigt ist. Die Verschwenkung kann manuell aber auch mit einem geeigneten Verschwenkantrieb erreicht werden.
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Allein oder zusätzlich dazu kann auch der Abstand der düsenförmigen Öffnung zu einer zu reinigenden Oberfläche verändert und an eine Reinigungsaufgabe angepasst werden. Dabei können die sich infolge des Luftwiderstands verändernden Eigenschaften des aus der düsenförmigen Öffnung ausgetretenen Flüssigkeitsstrahls ausgenutzt werden.
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Die Flüssigkeit sollte dem Hohlraum mit einem konstanten Druck, der oberhalb des Umgebungsdrucks liegt (Überdruck), zugeführt werden.
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Zum Betreiben des/der piezoelektrischen Elemente(s) kann eine Frequenz der elektrischen Spannung im Bereich 1 kHz bis 50 kHz eingesetzt werden.
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Der Hohlraum kann vorteilhaft einen sich in Richtung der mindestens einen düsenförmigen Öffnung konisch verjüngenden Bereich aufweisen. Allein oder zusätzlich dazu, kann er zumindest bereichsweise als Hohlzylinder ausgebildet sein. In diesem Fall ist die Hubscheibe, die man auch als Kolben bezeichnen kann, rotationssymmetrisch ausgebildet, was für eine Abdichtung am radial äußeren Rand vorteilhaft ist.
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Die Erfindung verzichtet auf die Nutzung einer Sonotrode, wie dies bei bekannten Systemen üblich ist. Die Frequenz, die zur Modulation des Flüssigkeitsstrahls eingesetzt wird, kann variabel gewählt, während eines Reinigungsvorgangs variiert und/oder an eine Reinigungsaufgabe angepasst werden, was mit den bekannten Sonotrodensystemen nicht möglich ist.
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Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
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Dabei zeigen:
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1 in einer Schnittdarstellung ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
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2 einen mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung modulierten Flüssigkeitsstrahl.
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Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung können modulierte Flüssigkeitsstrahlen, wie sie als ein Beispiel in 2 gezeigt sind, erhalten werden. Solche gepulsten Flüssigkeits- insbesondere Wasserstrahlen können mittels Pulsation bessere Reinigungswirkungen erreichen und es ist auch eine Anpassung, insbesondere eine einfache Anpassung an lokal differenzierte Reinigungsaufgaben möglich. Dabei wird ein kontinuierlicher Flüssigkeitsstrahl mit Schwingungen überlagert. Somit kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Reinigung von Oberflächen in der Lebensmittel-, Pharma-, Kosmetik- und Chemieindustrie eingesetzt werden. Aufgrund der kompakten Bauweise bietet sich der Einsatz der Vorrichtung auch zur Reinigung von Behälterinnenwänden an.
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Um einen modulierten Flüssigkeitsstrahl zu erzeugen, ist es erforderlich im Hohlraum 15, der in der Kammer 7 angeordnet ist, entsprechende Druckschwankungen zu erreichen. Dies erreicht man durch die alternierende Volumenänderung des Hohlraums 15 in der Kammer 7. Somit hängt die Modulationsstärke eines kontinuierlichen Flüssigkeitsstrahls von dem modulierten Volumen des Hohlraums 15 ab. Die geforderte Modulation wird durch die elektrische Ansteuerung des Stapels piezoelektrischer Elemente 10 erreicht. Daher kann der Hubweg der translatorischen Bewegung der Hubscheibe 5 direkt proportional zur anliegenden elektrischen Spannung an den piezoelektrischen Elementen 10 genutzt werden, bis ein maximaler Hubweg erreicht worden ist. Die Hubscheibe 5 bewegt sich dabei wie ein Kolben einer Verbrennungskraftmaschine zwischen zwei Totpunkten hin und her. Die zurzeit im Handel angebotenen Piezostacks erlauben einen Hubweg im μm-Bereich. Aufgrund des kleinen Hubweges kann die größe der Fläche der Hubscheibe 5 diesen Nachteil kompensieren, um eine geforderte ausreichende Modulationsstärke zu ermöglichen. Ein weiterer wichtiger Grundparameter, der auf die Form der modellierten Flüssigkeitsstrahlen Einfluss hat, ist die Anregungsfrequenz der piezoelektrischen Elemente 10. Abgesehen von der verwendeten düsenförmigen Öffnung 14 (Vollstralldüse, Flachstrahldüse usw.), die die Grundstruktur des unmodulierten Flüssigkeitsstrahls festlegt, bestimmen die drei Parameter u-Strömungsgeschwindigkeit, ε-Modulationsfaktor und f-Frequenz die Form des modulierten Flüssigkeitsstrahls. Die Grundgeschwindigkeit der Flüssigkeitsströmung wird durch den anliegenden Druck der Flüssigkeit, die dem Hohlraum 15 durch die Zulauföffnung 13 zugeführt wird, und konstant gehalten ist, festgelegt. Ohne eine Modulation, also bei keiner oder konstanter an die piezoelektrischen Elemente 10 angelegter elektrischen Spannung würde ein konstanter Flüssigkeitsstrahl aus der düsenförmigen Öffnung austreten.
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Die Frequenz und der Weg der translatorischen Bewegung der Hubscheibe 5 werden durch die Ansteuerung der piezoelektrischen Elemente 10 beeinflusst. Somit ist die Vorrichtung sehr variabel bezüglich der Anwendung und ist nicht auf eine bestimmte Frequenz festgelegt. Ebenso lässt sich der Modulationsfaktor bzw. Weg der translatorischen Hin- und Herbewegung der Hubscheibe 5 linear ansteuern. Die Reinigungswirkung von mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gepulst betreibbaren Flüssigkeitsstrahlen liegt deutlich über den bekannten Möglichkeiten.
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In 1 ist am Gehäuse ein Boden 1 vorhanden, an dem sich die piezoelektrischen Elemente 10 an einer Seite abstützen. An der gegenüberliegenden Seite des Stapels der piezoelektrischen Elemente 10 sind eine Federscheibe 2 und ein Druckstempel 3 und um den Druckstemple herum die Druckfeder 9 angeordnet. Die Druckfeder 9 wirkt gegen die Hubscheibe 5 und stütz sich auch an der Federscheibe 2 ab. Das Bezugszeichen 4 steht für einen Kammerboden. Mit 6 sind Abstandshalter und mit 7 eine Kammer in der der Hohlraum 15 angeordnet ist, bezeichnet. 11 und 12 sind Schrauben als Verbindungselemente. Die Hubscheibe 5 ist am radial äußeren Rand mit einer vollständig umlaufenden Dichtung 8 versehen, die den Hohlraum 15 abdichtet.
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In 2 ist eine stroboskopische Aufnahme eines modulierten Flüssigkeitsstrahls gezeigt. Es wird deutlich, dass der Luftwiderstand einen Einfluss des aus der düsenförmigen Öffnung 14 austretenden Flüssigkeitsstrahls hat, so dass auch der Abstand der düsenförmigen Öffnung 14 zur zu reinigenden Oberfläche einen Einfluss hat und bei der Reinigung verändert werden kann. Dadurch kann nicht nur die kinetische Energie und der Impuls der auf die Oberfläche auftreffenden Flüssigkeit sondern auch die gleichzeitig bestrahlte Fläche beeinflusst werden.
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Der Durchmesser der düsenförmigen Öffnung 14 beträgt bei diesem Beispiel 0.5 mm. Der anliegende Druck, des durch die Zulauföffnung 13 in den Hohlraum 15 eingeführten Wassers, als Flüssigkeit, ist auf 5 bar eingestellt. Mit den vorgegebenen Einstellungen wurde ein Volumenstrom von 0.25 l/min gemessen.
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In der nachfolgenden Tabelle sind weitere messtechnischen Daten, die bei Versuchen eingehalten bzw. bestimmt worden sind, aufgeführt:
| f [Hz] | U [V] | fp [Hz] | pm [Pa] | p' [pa] |
| 11100.0 | 40 | 11088.2 | 598885.0 | 204350.0 |
f – vorgegebene Anregungsfrequenz
U – maximal angelegte elektrische Spannung an den piezoelektrischen Elementen
10 f
p – Frequenz der Druckschwankung
p
m – mittlerer Absolutdruck im Hohlraum
15 p' – Amplitude der Druckschwankung
| | u' [m/s] | ε | um [m/s] | ueff [m/s] |
| 11088.2 | 20.2345 | 0.653648 | 30.9563 | 31.5076 |
f
p – Frequenz der Druckschwankung
u' – Geschwindigkeitsschwankung
ε – Modulationsfaktor
u
m – mittlere Strömungsgeschwindigkeit
u
eff – effektive Strömungsgeschwindigkeit
| λm | λeff | λeff | Reeff | Wem |
| 0.00279183 | 0.00284154 | 15450.3 | 15725.4 | 6574.36 |
| Weeff | Ohm | Oheff | Srm | Sreff |
| 6810.59 | 0.00524795 | 0.00524795 | 0.179094 | 0.175961 |
λ
m – mittlere Wellenlänge
λ
eff – effektive Wellenlänge
Re
m – mittlere Reynolds-Zahl
Re
eff – effektive Reynolds-Zahl
We
m – mittlere Weber-Zahl
We
eff – effektive Weber-zahl
Oh
m – mittlere Ohnesorge-Zahl
Oh
eff – effektive Ohnesorge-Zahl
Sr
m – mittlere Strouhal-Zahl
Sr
eff – effektive Strouhal-Zahl
