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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reinigung von Oberflächen mit mindestens einem Flüssigkeitsstrahl, der unter erhöhtem Druck auf eine zu reinigende Oberfläche gerichtet werden kann.
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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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Üblicherweise erfolgt dabei die Zuführung der Flüssigkeit in solche Vorrichtungen von einer Seite, also in einem Winkel größer 30° in Bezug zur Richtung mit der ein Flüssigkeitsstrahl die Vorrichtung verlässt. Dadurch tritt ein Dralleffekt auf, der die Strahlform und den moduliert austretenden Flüssigkeitsstrahl nachteilig beeinflusst.
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Da für eine Modulation eines Flüssigkeitsstrahls piezoelektrische oder magnetostriktive Elemente eingesetzt werden, bereitet auch die damit hervorgerufene Erwärmung ein Problem. Diesem wird bisher durch eine Beströmung der Vorrichtung mit Druckluft begegnet, was zu einem erhöhten Energiebedarf führt.
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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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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind ein Gehäuse und eine Kammer in die über eine Zuführung Flüssigkeit gelangt, vorhanden. Innerhalb des Gehäuses ist mindestens ein piezoelektrisches Element angeordnet und wird durch eine Sonotrode und/oder einen Kolben, die/der einen Teil der Wandung der Kammer bildet, vorgespannt. Das/die piezoelektrische(n) Element(e) ist/sind an eine elektrische Wechselspannungsquelle oder eine gepulst betriebene elektrische Spannungsquelle angeschlossen, so dass eine alternierende Veränderung des Volumens der Kammer und/oder eine Emission von Schallwellen in die in der Kammervorhandene Flüssigkeit und damit eine Modulation eines aus mindestens einer düsenförmigen Austrittsöffnung unter erhöhtem Druck stehend austretenden Flüssigkeitsstrahls erreichbar sind.
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Die Zuführung für Flüssigkeit und die mindestens eine Austrittsöffnung für den Flüssigkeitsstrahl sind an zwei sich diametral gegenüberliegend angeordneten Wänden der Kammer angeordnet.
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Vorteilhaft können die Zuführung für Flüssigkeit und die düsenförmige Austrittsöffnung für den mindestens einen Flüssigkeitsstrahl in einer gemeinsamen Achse angeordnet sein, wodurch ein Dralleffekt im austretenden Flüssigkeitsstrahl zumindest weitestgehend vermieden werden kann.
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Ein bevorzugt nach außen weisender Bereich des Gehäuses sollte mit Kühlrippen versehen sein. Allein oder zusätzlich dazu können innerhalb des Gehäuses Kühlkanäle, durch die ein Kühlmedium geführt werden kann, ausgebildet sein. Als Kühlmedium kann besonders bevorzugt die der Kammer zuführbare Flüssigkeit genutzt werden. Bevor diese Flüssigkeit in die Zuführung für Flüssigkeit einströmt, kann sie so ausgebildete Kühlkanäle durchströmen.
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Kühlrippen und/oder Kühlkanäle sollten im Bereich, in dem das mindestens einepiezoelektrisce Element angeordnet ist, und/oder um zumindest einen Teil der Zuführung für die Flüssigkeit herum angeordnet sein.
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Zwischen dem mindestens einen piezoelektrischen Element und der Kammer kann ein sich oszillierend bewegbarer Kolben an der Sonotrode angeordnet sein. Dieser Kolben und/oder die Sonotrode kann/können mit-mindestens einem piezoelektrischen Element bevorzugt in Eigenfrequenz angeregt werden, so dass sich das Volumen innerhalb der Kammer alternierend vergrößert und dann wieder verkleinert, wodurch eine Modulation des austretenden Flüssigkeitsstrahls erreichbar ist.
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Der/die Kolben und/oder die Sonotrode sollten, wie auch das Gehäuse einen Leitungskanal, durch den die Flüssigkeit in die Kammer gelangt aufweisen. Der/die Kolben und/oder die Sonotrode kann in das Gehäuse eingeschraubt werden, womit ein gewisses Maß an Vorspannung des mindestens einen piezoelektrischen Elementes erreicht werden kann.
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Vorteilhaft sollten mindestens fünf piezoelektrische Elemente in Form eines Stapels, zur Vergrößerung der erreichbaren Volumenveränderung der Kammer, vorhanden sein.
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Die an das/die piezoelektrische(n) Element(e) angeschlossene elektrische Spannung und/oder die Frequenz sollte während des Betriebes und möglichst an die jeweilige Reinigungsaufgabe angepasst veränderbar sein.
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Zum Betreiben des/der piezoelektrischen Elemente(s) kann vorteilhaft eine Frequenz der elektrischen Spannung im Bereich 1 kHz bis 50 kHz eingesetzt werden.
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Zur Variation des Auftreffwinkels des aus der mindestens einen düsenförmigen Austrittsöffnung austretenden modulierten Flüssigkeitsstrahls auf eine Oberfläche kann die Vorrichtung um mindestens eine Achse verschwenkbar sein.
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Es besteht aber auch die Möglichkeit, den Abstand der düsenförmigen Austrittsöffnung(en) zur jeweiligen bestrahlten Oberfläche zu verändern. 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 der Kammer mit einem konstanten Druck, der oberhalb des Umgebungsdrucks liegt (Überdruck), zugeführt werden.
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Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung können modulierte Flüssigkeitsstrahlen erhalten werden. Solche gepulsten Flüssigkeitsinsbesondere 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 Lebens-mittel-, 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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Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
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Dabei zeigt:
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1 in einer Schnittdarstellung ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Um einen modulierten Flüssigkeitsstrahl zu erzeugen, ist es erforderlich in der Kammer 4, die mit dem Gehäuse 1 über Verbindungsstäbe 3 verbunden ist, entsprechende Druckschwankungen und/oder einen wellenförmigen Energieeintrag in die Flüssigkeit zu erreichen. Dies erreicht man durch die alternierende Volumenänderung der Kammer 4 und/oder ausgehend von einer Sonotrode 2 durch die Emission von Schallwellen in die in der Kammer 4 vorhandene Flüssigkeit. Somit hängt die Modulationsstärke eines kontinuierlichen Flüssigkeitsstrahls von dem modulierten Volumen der Kammer 4 und/oder von den Amplituden der emittierten Schallwellen ab. Es hat auch die jeweilige Frequenz einen Einfluss.
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Die geforderte Modulation wird durch die elektrische Ansteuerung des Stapels piezoelektrischer Elemente 8 erreicht. Daher kann der Hubweg der Sonotrode 2 oder anstelle dessen der Bewegung eines Kolbens direkt über die Frequenz und die Höhe der anliegenden elektrischen Spannung an den piezoelektrischen Elementen 8 gesteuert werden, bis ein maximaler Hubweg erreicht worden ist. Die Sonotrode 2 oder ein Kolben 2, die/der in das Gehäuse 1 eingeschraubt und durch den die Zuführung 10 für Flüssigkeit bis in die Kammer 4 geführt ist, bewegt sich zwischen zwei Totpunkten hin und her. Die zurzeit im Handel angebotenen Piezostapel erlauben einen Hubweg im μm-Bereich. Aufgrund des kleinen Hubweges kann die Größe der Fläche der Sonotrode 2 oder des Kolbens 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 8. Abgesehen von der verwendeten düsenförmigen Austrittsöffnung 11 (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 der Kammer 4 durch die Zuführung 10 zugeführt wird, und konstant gehalten ist, festgelegt. Ohne eine Modulation, also bei keiner oder konstanter an die piezoelektrischen Elemente 8 angelegter elektrischen Spannung würde ein konstanter Flüssigkeitsstrahl aus der düsenförmigen Öffnung austreten.
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Die Soll-Arbeitsfrequenz der Sonotrode 2 bzw. des Kolbens kann durch die Eigenfrequenz der Sonotrode 2 beeinflusst werden. Somit beeinflusst die Änderung der Arbeitsfrequenz durch die Ansteuerung der piezoelektrischen Elemente den Hubweg bzw. Modulationsfaktor ε. Die Reinigungswirkung von mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gepulst betreibbaren Flüssigkeitsstrahlen liegt deutlich über den bekannten Möglichkeiten.
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In 1 stützen sich die übereinander gestapelten piezoelektrischen Elemente 8 an einer Seite des Gehäuses 1 ab. An der gegenüberliegenden Seite des Stapels der piezoelektrischen Elemente 8 ist ein O-Ring 6 als Abdichtung zwischen den piezoelektrischen Elementen 8 und der Sonotrode 2 bzw. dem Kolben um die Zuführung 10 herum angeordnet. Die Bezugszeichen 3 stehen für Verbindungselemente in Form von Stiften und Schrauben. Mit 7 ist ein weiterer O-Ring und mit 9 eine Düse, in der die düsenförmige Austrittsöffnung 11 für den Flüssigkeitsstrahl ausgebildet ist, gekennzeichnet.
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Mit einer Sonotrode 2 sollten Schallwellen mit Frequenzen im Bereich 1 kHz bis 50 kHz emittiert werden.
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Der Durchmesser der düsenförmigen Austrittsöffnung 11 beträgt bei diesem Beispiel 0.5 mm. Der anliegende Druck, des durch die Zuführung 10 in die Kammer 4 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
8 f
p – Frequenz der Druckschwankung
p
m – mittlerer Absolutdruck in der Kammer
4 p' – Amplitude der Druckschwankung
| fp [Hz] | 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
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In 1 ist außerdem gezeigt, dass an einem äußeren Teil des Gehäuses 1 die äußere Oberfläche des Gehäuses vergrößernde Kühlrippen angeordnet sind, mit denen eine Kühlung im Bereich des Gehäuses 1 innerhalb dessen die piezoelektrischen Elemente 8 angeordnet sind, erreicht werden kann. Der Bereich des Gehäuses 1 an dem Kühlrippen vorhanden sind, geht vom Boden des Gehäuses 1 in Richtung zur düsenförmigen Austrittsöffnung 11 aus. Mit der Anzahl und Größe der Kühlrippen kann eine Beeinflussung der Temperatur des Gehäuses 1 und der Temperatur der piezoelektrischen Elemente 8 erreicht werden.
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Allein oder zusätzlich zu den Kühlrippen können dort in 1 nicht dargestellte Kühlkanäle durch das Gehäuse 1 geführt sein. Durch diese Kühlkanäle kann die jeweilige Flüssigkeit strömen, bevor sie durch die Zuführung 10 in die Kammer 4 gelangt.
