-
EINLEITUNG
-
Diese Offenbarung bezieht sich auf einen Artikel zur Herstellung ultrafeiner Pulver und Verfahren zur Herstellung des Artikels sowie die Feinpulver. Insbesondere bezieht sich diese Offenbarung auf einen Zentrifugalzerstäuber, der zur Herstellung von Feinpulvern mit einem sehr engen Polydispersitätsindex (Variation der Partikelgrößen) verwendet werden kann.
-
Zentrifugalzerstäuber, wie sie z.B. bei Sprühtrocknern eingesetzt werden, verwenden einen Zerstäuberkopf, der mit relativ hoher Geschwindigkeit rotiert und dem das (zu zerstäubende) Einsatzmaterial zugeführt wird. Der Kopf ist mit Prallelementen versehen, durch die das Einsatzmaterial in kleine Tröpfchen oder Fragmente zerkleinert wird, die zur Suspension in einem Trocknungsgas nach außen ausgetragen werden. Eine besondere Art von Zerstäuberkopf, die weit verbreitet ist, verwendet beabstandete obere und untere Platten, die an einer vertikalen Welle befestigt sind und die durch in Umfangsrichtung beabstandete Zerstäuberstäbe verbunden sind. Das Einsatzmaterial wird in einen Raum im mittleren Teil des Kopfes geliefert, und während es sich zwischen der oberen und unteren Platte nach außen bewegt, wird es schließlich von den beabstandeten Stäben zerstoßen und zerstäubt.
-
Konventionelle Zerstäubungsvorrichtungen des oben beschriebenen Typs weisen gewisse Nachteile auf. Während die erzielte Zerstäubung für viele kommerzielle Operationen geeignet ist, ist es schwierig, einen relativ einheitlichen Zerstäubungsgrad beizubehalten, insbesondere bei verschiedenen Arten von Einsatzmaterial. Eine gleichmäßige Zerstäubung ist wünschenswert, da sie den ordnungsgemäßen Betrieb des Sprühtrockners erheblich erleichtert. Sie vermeidet den unzulässigen Austritt von übergroßen Partikeln gegen die Seitenwände des Trockners, erleichtert den Betrieb des Trockners bei einer gewünschten hohen Kapazität und führt tendenziell zu einem Endprodukt mit gleichmäßigem Feuchtigkeitsgehalt. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Prallelemente einem Verschleiß unterliegen. Jeder Versuch, die verschlissenen Teile zu reparieren, ist mühsam und teuer, und im Allgemeinen müssen die Hauptteile des Kopfes entsorgt und ersetzt Es ist daher wünschenswert, einen relativ einfachen Zentrifugalzerstäuber bereitzustellen, der in der Lage ist, eine gleichmäßige Zerstäubung mit einer Vielzahl von Einsatzmaterialien zu erzeugen.
-
BESCHREIBUNG
-
In einer beispielhaften Ausführung umfasst ein mehrstufiger Zentrifugalzerstäuber eine Außenhülle, die einen Einlassanschluss und einen Auslassanschluss enthält und die einen Verteiler, eine erste geneigte rotierende Oberfläche und eine zweite geneigte rotierende Oberfläche umschließt. Die erste geneigte rotierende Oberfläche ist der zweiten geneigten rotierenden Oberfläche gegenüberliegend angeordnet. Der Einlass wird verwendet, um ein geschmolzenes Material in den mehrstufigen Zerstäuber einzuführen, und der Auslass wird verwendet, um ultrafeine Partikel mit einem D50 von weniger als 20 Mikrometern zu entfernen.
-
In einer anderen beispielhaften Ausführungsform ist eine konvexe Oberfläche der ersten geneigten rotierenden Oberfläche dem Einlass des mehrstufigen Zentrifugalzerstäubers zugewandt und eine konvexe Oberfläche der zweiten geneigten rotierenden Oberfläche ist dem Auslass des mehrstufigen Zentrifugalzerstäubers zugewandt.
-
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist die erste geneigte rotierende Oberfläche so ausgelegt, dass sie ein geschmolzenes Material aus dem Verteiler aufnimmt und das geschmolzene Material in Form von Partikeln abgibt, wobei die zweite geneigte rotierende Oberfläche so ausgelegt ist, dass sie die Partikel von der ersten geneigten rotierenden Oberfläche aufnimmt und sie auf eine kleinere Partikelgröße zerkleinert als diejenige, die von der ersten geneigten rotierenden Oberfläche aufgenommen wird.
-
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform variiert ein Winkel γ zwischen einer oberen inneren Oberfläche und der äußeren unteren Oberfläche der zweiten geneigten rotierenden Oberfläche zwischen 90 Grad und 180 Grad.
-
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform sind eine erste Welle, die die erste geneigte rotierende Oberfläche berührt, und eine zweite Welle, die die zweite geneigte rotierende Oberfläche berührt, koaxial montiert und stehen in Drehverbindung mit einem Motor.
-
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist die erste geneigte rotierende Oberfläche ein Konus oder ein konischer Abschnitt und die zweite geneigte rotierende Oberfläche ist ein Konus oder ein konischer Abschnitt, wobei eine konvexe Oberfläche der ersten geneigten rotierenden Oberfläche dem Einlassanschluss zugewandt ist und eine konvexe Oberfläche der zweiten geneigten rotierenden Oberfläche dem Auslassanschluss zugewandt ist.
-
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform hat die erste geneigte rotierende Oberfläche einen Innenwinkel, der kleiner ist als der Innenwinkel der zweiten geneigten rotierenden Oberfläche.
-
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform umfasst die konvexe Oberfläche der ersten geneigten rotierenden Oberfläche einen Abschnitt, der mit Rillen und Mustern strukturiert ist, um die Zerkleinerung eines geschmolzenen Materials, das mit ihm in Kontakt kommt, zu erleichtern.
-
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform enthält die konvexe Oberfläche der ersten geneigten rotierenden Oberfläche einen Abschnitt, der Antihafteigenschaften aufweist.
-
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform umfasst eine konkave Oberfläche der zweiten geneigten rotierenden Oberfläche einen Abschnitt, der mit Rillen und Mustern strukturiert ist, um die Zerkleinerung eines geschmolzenen Materials, das mit ihm in Kontakt kommt, zu erleichtern.
-
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform steht die konvexe Oberfläche der zweiten geneigten rotierenden Oberfläche in Fluidverbindung mit dem Auslassanschluss des mehrstufigen Zentrifugalzerstäubers.
-
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform umfasst der mehrstufige Zentrifugalzerstäuber einen Ultraschallwandler, der entweder mit der ersten geneigten rotierenden Oberfläche, der zweiten geneigten rotierenden Oberfläche oder sowohl mit der ersten geneigten rotierenden Oberfläche als auch mit der zweiten geneigten rotierenden Oberfläche in Wirkverbindung steht.
-
In einer weiteren beispielhaften Ausführung liefert der Ultraschallwandler eine lineare Hin- und Herbewegung von bis zu 50 Mikrometern bei 20 kHz oder mehr an die erste geneigte rotierende Oberfläche, die zweite geneigte rotierende Oberfläche oder sowohl an die erste geneigte rotierende Oberfläche als auch an die zweite geneigte rotierende Oberfläche.
-
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform führt der mehrstufige Zentrifugalzerstäuber ultrafeine Partikel mit einem D50-Durchmesser von 20 Mikrometern oder weniger ab.
-
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform führt der mehrstufige Zentrifugalzerstäuber ultrafeine Partikel mit einem D50-Durchmesser von 20 Mikrometern oder weniger ab.
-
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform umfassen die ultrafeinen Partikel Silizium oder Siliziumlegierungen zur Verwendung in Batterien.
-
In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Herstellung ultrafeiner Partikel das Einbringen eines geschmolzenen Materials in einen Einlassanschluss eines mehrstufigen Zentrifugalzerstäubers, wobei der mehrstufige Zentrifugalzerstäuber eine Außenhülle umfasst, die einen Einlassanschluss und einen Auslassanschluss enthält und die einen Verteiler, eine erste geneigte rotierende Oberfläche und eine zweite geneigte rotierende Oberfläche umschließt. Die erste geneigte rotierende Oberfläche ist der zweiten geneigten rotierenden Oberfläche gegenüberliegend angeordnet. Der Einlass wird verwendet, um ein geschmolzenes Material in den mehrstufigen Zerstäuber einzuführen, und der Auslass wird verwendet, um ultrafeine Partikel mit einem D50 von weniger als 20 Mikrometern zu entfernen. Das geschmolzene Material wird aus dem Verteiler auf die erste geneigte rotierende Oberfläche befördert, um Partikel zu bilden. Die Partikel werden von der ersten geneigten rotierenden Oberfläche auf die zweite geneigte rotierende Oberfläche befördert, um die ultrafeinen Partikel zu bilden.
-
In einer anderen beispielhaften Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner das Entfernen der ultrafeinen Partikel aus dem Auslassanschluss.
-
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner das Aussetzen der ersten geneigten rotierenden Oberfläche, der zweiten geneigten rotierenden Oberfläche oder sowohl der ersten geneigten rotierenden Oberfläche als auch der zweiten geneigten rotierenden Oberfläche einer Ultraschallschwingung.
-
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner das Befördern des geschmolzenen Materials aus dem Verteiler auf die erste geneigte rotierende Oberfläche, um Partikel zu bilden, und das Befördern der Partikel von der ersten geneigten rotierenden Oberfläche auf die zweite geneigte rotierende Oberfläche, um die ultrafeinen Partikel zu bilden, wird gleichzeitig durchgeführt.
-
Die oben genannten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der Offenbarung sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung leicht ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen genommen werden.
-
Figurenliste
-
Weitere Merkmale, Vorteile und Details erscheinen lediglich beispielhaft in der folgenden ausführlichen Beschreibung, wobei sich die ausführliche Beschreibung auf die Zeichnungen bezieht, in denen:
- 1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften mehrstufigen Zentrifugalzerstäubers ist;
- 2A eine weitere schematische Darstellung eines beispielhaften Abschnitts des mehrstufigen Zentrifugalzerstäubers ist, die die Anordnung zwischen den beiden Wellen und einem piezoelektrischen Stapel zeigt;
- 2B eine weitere schematische Darstellung eines beispielhaften mehrstufigen Zentrifugalzerstäubers ist, die die Anordnung zwischen den beiden Wellen zeigt; und
- 3 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Antriebs zur Bereitstellung einer Drehbewegung für die erste geneigte rotierende Oberfläche und die zweite geneigte rotierende Oberfläche ist.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
-
Die folgende Beschreibung hat lediglich beispielhaften Charakter und soll die vorliegende Offenbarung, ihre Anwendung oder Verwendungen nicht einschränken. Es ist zu verstehen, dass in den Zeichnungen durchgehend entsprechende Referenzziffern auf gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale hinweisen.
-
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform wird hier ein mehrstufiger Zentrifugalzerstäuber offenbart, dessen Konstruktion die Herstellung von Partikeln erleichtert, die eine kleinere durchschnittliche Partikelgröße haben (nachfolgend ultrafeine Partikel) mit einer kleineren Partikelgrößenverteilung als andere handelsübliche Zentrifugalzerstäuber. Der mehrstufige Zentrifugalzerstäuber erhöht die Durchflussrate des geschmolzenen Materials in die Zentrifuge und erhöht daher auch die Produktionsrate der ultrafeinen Partikel im Vergleich zu anderen kommerziell erhältlichen Zentrifugalzerstäubern. Der mehrstufige koaxiale Zentrifugalzerstäuber hat den Vorteil, dass er ultrafeine Partikel (mit einem angestrebten D50 von weniger als 20 Mikrometern) mit kugelförmiger Gestalt, einer engen Partikelgrößenverteilung und einer homogenen Zusammensetzung für automobile und nicht-automobile (Energie, Raumfahrt, Schifffahrt und dergleichen) industrielle Anwendungen erzeugt. D steht für den Durchmesser von Pulverpartikeln, und D50 bedeutet, dass ein kumulativer 50%-Durchmesserpunkt (oder 50%-Passpartikelgröße) weniger als 20 Mikrometer beträgt.
-
In einer Ausführungsform kann der mehrstufige koaxiale Zentrifugalzerstäuber zur Herstellung von Silizium- oder Siliziumlegierungspartikeln mit einem D50 von weniger als 20 Mikrometer, vorzugsweise weniger als 15 Mikrometer und noch bevorzugter weniger als 10 Mikrometer, verwendet werden. Diese Siliziumlegierung oder Siliziumteilchen mit gleichmäßigem Durchmesser können in Batterien und Energiespeichervorrichtungen verwendet werden.
-
Die Zerkleinerung des geschmolzenen Materials kann in zwei oder mehreren Stufen erfolgen. In der ersten Stufe wird das geschmolzene Material aus einem Verteiler auf eine erste geneigte rotierende Oberfläche ausgetragen. Dies fördert die Zerkleinerung des geschmolzenen Materials in Partikel. In der zweiten Stufe werden die Partikel von der ersten geneigten rotierenden Oberfläche auf eine zweite geneigte rotierende Oberfläche ausgetragen. Die zweite Stufe fördert eine weitere Zerkleinerung der Partikel zu ultrafeinen Partikeln. Die ultrafeinen Partikel (50 % der Partikel haben eine durchschnittliche Größe von weniger als 20 Mikrometern) werden dann aus dem Zentrifugalzerstäuber in ein Sammelgefäß ausgetragen. In einer Ausführungsform kann Ultraschallenergie entweder auf die erste geneigte rotierende Oberfläche, auf die zweite geneigte rotierende Oberfläche oder sowohl auf die erste als auch auf die zweite geneigte rotierende Oberfläche übertragen werden. Die Ultraschallenergie erleichtert sowohl die Zerkleinerung des geschmolzenen Materials als auch die Desagglomeration von Partikeln aus Agglomeraten.
-
1 zeigt ein exemplarisches Schema des mehrstufigen Zentrifugalzerstäubers 100 dieser Offenbarung. Der Zerstäuber 100 umfasst eine Außenhülle 102 mit einem Einlassanschluss 101 zum Einfüllen des zu zerkleinernden geschmolzenen Materials. Das geschmolzene Material kann ein Metall, eine Keramik, ein Polymer oder eine Kombination davon sein. Innerhalb der Außenhülle 102 befindet sich ein Verteiler 104, der das Material aufnimmt, das durch den Einlassanschluss 101 eingefüllt wird. Der Verteiler 104 enthält eine Vielzahl von Auslassanschlüssen 105, durch die das Material zu einer ersten geneigten rotierenden Oberfläche 106 ausgetragen werden kann. Das geschmolzene Material berührt die äußere (konvexe) Oberfläche der ersten geneigten rotierenden Oberfläche 106.
-
Der Zerstäuber 100 enthält auch eine erste geneigte rotierende Oberfläche 106 und eine zweite geneigte rotierende Oberfläche 108, die stufenweise funktionieren, um das geschmolzene Material, das dem Zerstäuber zugeführt wird, zu zerkleinern.
-
Die erste geneigte rotierende Oberfläche 106 hat vorzugsweise die Form eines Kegels. Die konvexe Oberfläche der ersten geneigten rotierenden Oberfläche enthält einen Abschnitt 107, der Rillen und Muster enthält, um die Zerkleinerung des Materials, das mit ihm in Kontakt kommt, zu erleichtern. Die Unterseite 111 der ersten geneigten rotierenden Oberfläche ist mit einer Antihaftbeschichtung versehen, um ein Anhaften des Materials an der Oberfläche zu verhindern. Die Antihaftbeschichtung erleichtert einen schnellen Austrag der Materialpartikel von der ersten geneigten rotierenden Oberfläche 106 zur zweiten geneigten rotierenden Oberfläche 108, von der die Partikel zu einem Auslassanschluss 121 des mehrstufigen Zentrifugalzerstäubers 100 befördert werden. Ein Abschnitt 109 der konvexen Oberfläche, der zwischen dem Abschnitt 107 und der Unterseite 111 liegt, ist der Ort, an dem sich das geschmolzene Material während des Zerstäubungsprozesses sammelt, wenn es aus dem Verteiler zur ersten geneigten rotierenden Oberfläche befördert wird.
-
Ein Beispiel für die zweite geneigte rotierende Oberfläche 108 ist ein rotierender Becher. Die zweite geneigte rotierende Oberfläche kann als ein ausgehöhlter Kegel oder konischer Abschnitt betrachtet werden, in den die von der ersten geneigten rotierenden Oberfläche beförderten Partikel befördert werden. Die konkave Oberfläche der zweiten geneigten rotierenden Oberfläche 108 enthält einen Abschnitt 113, der mit einer Antihaftoberfläche beschichtet ist. Der Abschnitt 115, der an der Antihaftoberfläche anliegt, ist geneigt und erleichtert die Abgabe von der zweiten geneigten rotierenden Oberfläche 108 an den Auslassanschluss 121 des mehrstufigen Zentrifugalzerstäubers 100. In einer Ausführungsform ist die zweite geneigte rotierende Oberfläche der ersten geneigten rotierenden Oberfläche gegenüberliegend angeordnet. Die auf der konvexen Oberfläche der ersten geneigten rotierenden Oberfläche gebildeten Materialpartikel werden auf die konkave Oberfläche der zweiten geneigten rotierenden Oberfläche befördert. Die zweite geneigte rotierende Oberfläche steht in Fluidverbindung mit dem Auslassanschluss 121 des Zerstäubers. Ultrafeine Partikel, die sich auf der zweiten geneigten rotierenden Oberfläche bilden, werden über den Auslassanschluss 121 in einen Vorratsbehälter ausgetragen. Die ultrafeinen Partikel, die sich auf der zweiten geneigten rotierenden Oberfläche gebildet haben, werden in den Auslassanschluss 121 abgegeben, nachdem sie sich über und über eine obere Lippe des mit einer Antihaftoberfläche beschichteten Abschnitts 113 bewegt haben. Die ultrafeinen Partikel werden durch Schwerkraft zum Auslassanschluss 121 transportiert, wie in 1 dargestellt.
-
Der Verteiler 104 enthält einen oder mehrere Einlässe 103 zum Befördern eines geschmolzenen Materials aus einem Ofen 202 in ihn hinein. Der Verteiler 104 sollte in der Lage sein, der Temperatur der Schmelze standzuhalten, ohne sich zu verformen oder mit dem Material zu reagieren. Der Verteiler 104 kann eine oder mehrere Auslassanschlüsse 105 mit geeignetem Durchmesser haben, um ein schnelles Ablassen des geschmolzenen Materials zur ersten geneigten rotierenden Oberfläche 106 zu erleichtern. Die Anzahl der Auslassanschlüsse 105 und der Durchmesser der Anschlüsse können angepasst werden, um die Partikelgröße während und nach der Zerstäubung zu steuern. Der Verteiler kann zwei oder mehrere Auslassanschlüsse haben, vorzugsweise drei oder mehrere Auslassanschlüsse, usw.
-
Der Verteiler kann stationär sein oder alternativ um eine vertikale Welle (nicht abgebildet) rotieren. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Verteiler stationär. In einer anderen Ausführung kann ein Druck auf den Verteiler ausgeübt werden, um die Abgabe des geschmolzenen Materials zu erleichtern.
-
Der Durchmesser der Verteiler-Auslassanschlüsse kann 1 bis 10 Millimeter betragen. In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Durchmesser der Verteiler-Auslassanschlüsse 2 bis 4 Millimeter betragen.
-
Die erste geneigte rotierende Oberfläche 106 befindet sich stromabwärts des Verteilers. Die erste geneigte rotierende Oberfläche 106 ist vorzugsweise ein Kegel oder ein konischer Abschnitt, wobei die Außenfläche einen ersten inneren Scheitelwinkel α aufweist, der von 30 bis 150 Grad, vorzugsweise 60 bis 120 Grad, reicht. Die erste geneigte rotierende Oberfläche 106 hat eine äußere obere Oberfläche 107, die konvex ist, und eine gegenüberliegende innere Oberfläche, die konkav ist. Der Scheitelwinkel α ist der innere Scheitelwinkel an der konkaven inneren Oberfläche. Die äußere Oberfläche der ersten geneigten rotierenden Oberfläche 106 ist der oberen inneren Oberfläche der Außenhülle 102 zugewandt, wobei ihr Scheitelpunkt in Richtung des Einlassanschlusses 101 zeigt. Während die geneigte Oberfläche 106 durch eine gerade Linie definiert sein kann, die vom Scheitelpunkt zu den Kanten verläuft, kann die geneigte Oberfläche auch gekrümmt sein.
-
Die erste geneigte rotierende Oberfläche 106 berührt eine erste Welle 117, die mit einem Motor (nicht abgebildet) in Drehverbindung steht. Die vom Motor auf die erste Welle 117 übertragene Drehbewegung wird auf die erste geneigte rotierende Oberfläche 106 übertragen. Die Drehbewegung übt eine Zentrifugalkraft auf das geschmolzene Material aus, wodurch es einer ersten Zerkleinerung unterzogen wird, um die feinen Partikel zu bilden. Diese erste Zerkleinerung kann als die erste Stufe bei der Bildung der ultrafeinen Partikel angesehen werden.
-
Die obere Außenfläche 107 ist eine texturierte Oberfläche mit Rillen und Vertiefungen, die die Zerkleinerung des geschmolzenen Materials erleichtert, das nach der Abgabe aus dem Verteiler damit in Berührung kommt. Die Unterseite 111 der ersten geneigten rotierenden Oberfläche ist mit einer Antihaftbeschichtung versehen. Die Antihaftbeschichtung ist in der Lage, der Temperatur des geschmolzenen Materials standzuhalten, ohne selbst zu schmelzen oder sich zu zersetzen. Die Antihaftbeschichtung kann ein Polymer und/oder eine Keramik sein, um ein Anhaften des geschmolzenen Materials an der Oberfläche zu verhindern. Beispiele für Antihaftpolymere sind Fluorkohlenwasserstoffe (z.B. TEFLON), Polysiloxane, Polyimid-Polysiloxane oder eine Kombination davon. Eloxiertes Aluminium, emailliertes Gusseisen und superhydrophobe Oberflächen (Oberflächen mit einer Texturierung, die einen Kontaktwinkel von 90 bis 140 Grad aufweisen) können ebenfalls für die Antihafteigenschaft der Unterseite 111 verwendet werden. Die Antihaftbeschichtung ermöglicht einen schnellen Austrag der Materialpartikel von der ersten geneigten rotierenden Oberfläche 106 zur zweiten geneigten rotierenden Oberfläche 108, von der die Partikel zum Auslassanschluss 121 des mehrstufigen Zentrifugalzerstäubers 100 befördert werden. Die Antihaftbeschichtung verhindert auch, dass das geschmolzene Material zu größeren Partikeln agglomeriert.
-
Die zweite geneigte rotierende Oberfläche 108 befindet sich stromabwärts der ersten geneigten rotierenden Oberfläche 106. Die zweite geneigte rotierende Oberfläche 108 ist vorzugsweise ein umgekehrter Kegel oder ein umgekehrter konischer Abschnitt, wobei die innere Oberfläche einen zweiten inneren Scheitelwinkel β aufweist, der größer ist als der erste innere Winkel α. Der zweite innere Scheitelwinkel β reicht von 90 bis 180 Grad, vorzugsweise 120 bis 170 Grad. Die zweite geneigte rotierende Oberfläche 108 hat eine äußere untere Oberfläche 115, die konvex ist, und eine gegenüberliegende innere Oberfläche, die konkav ist. Der Scheitelwinkel β ist der innere Scheitelwinkel an der konkaven inneren Oberfläche. Die Außenfläche der zweiten geneigten rotierenden Oberfläche 108 liegt der unteren inneren Oberfläche der Außenhülle 102 gegenüber, wobei ihr Scheitelpunkt (der ein imaginärer Punkt sein kann, der durch Verlängerung der Außenflächen 108 gebildet wird) zum Auslassanschluss 121 zeigt. Während die geneigte Oberfläche 108 durch eine gerade Linie definiert sein kann, die vom Scheitelpunkt zu den Rändern verläuft, kann die geneigte Oberfläche auch gekrümmt sein.
-
Die obere innere Oberfläche 113 der zweiten geneigten rotierenden Oberfläche 108 ist ebenfalls mit einer Antihaftbeschichtung versehen. In einer Ausführungsform variiert der Winkel γ zwischen der oberen inneren Oberfläche 113 und der äußeren unteren Oberfläche 115 der zweiten geneigten rotierenden Oberfläche 108 von 90 Grad bis 180 Grad, vorzugsweise 135 bis 158 Grad. Dieser Winkel erleichtert die Zerkleinerung des geschmolzenen Materials zu einer kleineren Partikelgröße.
-
Die oben beschriebenen Antihaftbeschichtungsmaterialien können verwendet werden. Die Antihaftbeschichtung verhindert, dass die Partikel, die von der ersten geneigten rotierenden Oberfläche ausgetragen werden, an der oberen inneren Oberfläche 113 zu größeren Partikeln agglomerieren. Die ultrafeinen Partikel, die sich beim Kontakt mit der zweiten geneigten rotierenden Oberfläche 108 bilden, werden von der zweiten geneigten rotierenden Oberfläche 108 über den Strom 128 ausgetragen, sammeln sich am Boden der inneren Oberfläche und werden durch Schwerkraft über den Auslassanschluss 121 in einen Lagerbehälter (nicht abgebildet) ausgetragen.
-
Die zweite geneigte rotierende Oberfläche 108 berührt eine zweite Welle 119, die in Drehverbindung mit dem Motor (nicht abgebildet) steht. Die vom Motor auf die zweite Welle 119 übertragene Drehbewegung wird auf die zweite geneigte rotierende Oberfläche 108 übertragen. Die Rotationsbewegung übt auf die in der ersten Zerkleinerung gebildeten Partikel eine Zentrifugalkraft aus, die sie einer zweiten Zerkleinerung zur Bildung der ultrafeinen Partikel unterzieht. Diese zweite Zerkleinerung kann als die zweite Stufe in der Bildung der ultrafeinen Partikel angesehen werden.
-
Während 1 den unteren Umfang 302 der ersten geneigten rotierenden Oberfläche 106 oberhalb einer imaginären Ebene darstellt, die am oberen Umfang 304 der zweiten geneigten rotierenden Oberfläche 108 gebildet wird, ist es möglich, dass der untere Umfang 302 in den offenen Raum ragt, der unterhalb der am oberen Umfang 304 gebildeten imaginären Ebene liegt.
-
In einer in 2A dargestellten Ausführungsform sind die erste Welle 117 und die zweite Welle 119 konzentrisch um eine Achse angeordnet (sie sind koaxial), und beide Wellen können durch eine Drehbewegung, die ihnen vom selben Motor aufgeprägt wird, gedreht werden. 2A zeigt Teile der Vorrichtung aus 1, ohne die Außenhülle und den Verteiler. 2A zeigt die Anordnung der Wellen, die zum Antrieb der ersten und zweiten geneigten rotierenden Oberflächen 106 und 108 verwendet werden. 2B ist eine vergrößerte Ansicht der Anordnung der Wellen mit einem Schlüssel, der sicherstellt, dass die gleiche vertikale Bewegung durch einen piezoelektrischen Stapel (wird später beschrieben) auf die geneigten Oberflächen ausgeübt wird. 2B zeigt, wie die durch den piezoelektrischen Stapel erzeugte vertikale Bewegung eingeschränkt werden kann, so dass es keine Variation der vertikalen Bewegung durch die erste geneigte rotierende Oberfläche 106 und die zweite geneigte rotierende Oberfläche 108 gibt.
-
Im Hinblick auf die 1 und 2A erleichtert die koaxiale Anordnung die Einführung von unabhängigen Drehgeschwindigkeiten für die verschiedenen geneigten rotierenden Oberfläche 106 und 108. In einer Ausführungsform können die erste Welle 117 und die zweite Welle 119 durch eine Drehbewegung gedreht werden, die von zwei getrennten Motoren übertragen wird (dargestellt durch Pfeile mit den Ziffern 602 und 604). In einer anderen Ausführungsform kann ein einziger Motor mit zwei Getrieben verwendet werden, um die beiden Achsen mit unterschiedlichen Drehgeschwindigkeiten anzutreiben. Die erste Welle 117 und die zweite Welle 119 (und folglich die erste geneigte rotierende Oberfläche 106 bzw. die zweite geneigte rotierende Oberfläche 108) können sich in der gleichen Richtung drehen oder alternativ, falls gewünscht, in entgegengesetzten Richtungen rotieren. In einer bevorzugten Ausführungsform können sich sowohl die erste Welle 117 als auch die zweite Welle 119 in der gleichen Richtung drehen. Die Drehung in der gleichen Richtung trägt dazu bei, das geschmolzene Material zu beschleunigen und seine kinetische Energie zu erhöhen, wenn die Adhäsion/Reibung zwischen der Oberfläche der rotierenden Scheibe und dem geschmolzenen Material hoch genug ist (und kein „Schlupf“ auftritt).
-
Auf einer oder beiden Wellen 117 und 119 (siehe 2A) befindet sich ein piezoelektrischer Stapel 602, der die vertikale Bewegung der ersten geneigten rotierenden Oberfläche 106 und/oder der zweiten geneigten rotierenden Oberfläche 108 in Bezug zueinander fördert. Ein Ultraschallwandler (nicht abgebildet), der im piezoelektrischen Stapel 602 enthalten ist, überträgt Ultraschallenergie entlang des Pfeils 504 (hin und her - vertikale Information) entweder auf die Welle 117, die Welle 119 oder auf beide Wellen 117 sowie 119. In einer Ausführungsform steht der piezoelektrische Stapel 602 in vertikaler (hin und her) Verbindung mit einer einzigen Welle - der Welle 119 (die mit der zweiten geneigten rotierenden Oberfläche 108 in Verbindung steht).
-
2B zeigt eine Ausführungsform der Beziehung zwischen der ersten Welle 117 und der zweiten Welle 119. Die erste Welle 117 enthält einen Schlüssel 320, der zwei Anschläge 322 und 324 berührt, die von einem Schlitz 321 in der zweiten Welle 119 bereitgestellt werden.
-
Das Rotationsverhältnis der ersten Welle 117 zur zweiten Welle 119 (und folglich jeweils ersten geneigten rotierenden Oberfläche 106 zur zweiten geneigten rotierenden Oberfläche 108) kann von 0,1:1 bis 1:0,1 variieren. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt das Drehverhältnis der ersten Welle 117 zur zweiten Welle 110 1:1.
-
3 zeigt eine beispielhafte Anordnung der Zahnräder, die zum Drehen der jeweiligen Wellen 117 und 119 sowie zur Einbringung von Ultraschallenergie in das geschmolzene Material verwendet werden können. Ein Motor 502 steht in Drehverbindung mit einem Zahnrad 506. Das Zahnrad 506 befindet sich in einer Kegelradanordnung mit zwei Zahnrädern 402 und 406, die ihrerseits in Drehverbindung mit den Wellen 119 und 117 stehen. Die Drehbewegung wird also vom Motor 502 über die Zahnräder 506, 406 bzw. 402 auf die Wellen 117 und 119 übertragen. Ein Ultraschallwandler (nicht abgebildet) überträgt Ultraschallenergie in Pfeilrichtung 504 entweder auf die Welle 117, die Welle 119 oder auf beide Wellen 117 sowie 119. Der Wandler kann zusammen mit einem optionalen integrierten mechanischen Verstärker (nicht abgebildet) eine lineare Hin- und Herbewegung von bis zu 50 Mikrometern bei 20 kHz oder mehr erzeugen. Das Vorhandensein eines Ultraschallwandlers trägt zu feineren Partikelgrößen bei, da die Beschleunigung sehr hoch ist, und unterdrückt die Ablagerungsbildung (Partikel bilden eine Agglomeration auf den geneigten rotierenden Oberflächen).
-
Der Ultraschallwandler erzeugt eine lineare Hin- und Herbewegung entweder in der Welle 117, der Welle 119 oder zu beiden Wellen 117 sowie 119, die die Zerkleinerung und Desagglomeration der ultrafeinen Partikel erleichtert.
-
Bei einem Verfahren zur Herstellung der ultrafeinen Partikel mit einem D50 von weniger als 20 Mikrometern wird das geschmolzene Material, das ein Metall, eine Keramik, ein Polymer oder Kombinationen davon umfasst, zunächst über den Einlassanschluss des Zerstäubers und den Einlassanschluss des Verteilers in den Verteiler gegossen. In einer ersten Stufe wird das geschmolzene Material aus einer oder mehreren der Auslassanschlüsse des Verteilers auf die erste geneigte rotierende Oberfläche ausgetragen. Die Zentrifugalkräfte der ersten geneigten rotierenden Oberfläche führen zu einer gewissen Zerkleinerung des geschmolzenen Materials zu Partikeln. In einer zweiten Stufe werden diese Partikel von der ersten geneigten rotierenden Oberfläche auf die zweite geneigte rotierende Oberfläche ausgetragen, wo sie weiter zerkleinert werden, um die ultrafeinen Partikel zu bilden. Die ultrafeinen Partikel werden dann aus dem Auslassanschluss des Zerstäubers in einen Vorratsbehälter ausgetragen. Es ist zu beachten, dass die erste Stufe und die zweite Stufe der Zerkleinerung gleichzeitig durchgeführt werden können, auch wenn das geschmolzene Material nach der ersten Stufe der zweiten Stufe unterzogen wird. Das geschmolzene Material kann während der ersten Stufe, der zweiten Stufe oder sowohl während der ersten Stufe als auch während der zweiten Stufe gleichzeitig der Ultraschallenergie ausgesetzt werden.
-
Bei einer Ausführungsform, bei einem Verfahren zur Herstellung des mehrstufigen Zentrifugalzerstäubers wird der Verteiler zunächst an der Innenseite der Außenhülle des Zerstäubers fest angebracht. Die Außenhülle des Zerstäubers kann einen oberen und einen unteren Abschnitt enthalten. Der Verteiler wird am oberen Abschnitt der Außenhülle befestigt. Die erste Welle und die zweite Stufe sind koaxial montiert (konzentrisch montiert), wobei sich ein Ende in der Außenhülle des Zerstäubers befindet, während das andere Ende mit einem Satz von Zahnrädern in Verbindung steht, die in einer Kegelradanordnung montiert sind. Das Kegelradgetriebe steht in Drehverbindung mit dem Motor, der die Rotation der rotierenden geneigten Oberflächen antreibt. Nach der Anordnung der Wellen in der Außenhülle wird die zweite geneigte rotierende Oberfläche an einer Welle (der ersten oder der zweiten Welle) befestigt, während die erste geneigte rotierende Oberfläche an der anderen Welle befestigt wird, die nicht mit einer geneigten rotierenden Oberfläche in Verbindung steht.
-
Der mehrstufige Zentrifugalzerstäuber hat den Vorteil, dass er eine monodisperse Partikelverteilung erzeugen kann. Die Partikelverteilung ist sehr eng (mit einem Polydispersitätsindex von weniger als 1,2) und hat eine durchschnittliche Partikelgröße, wobei D50 weniger als 20 Mikrometer beträgt. Die Partikel haben eine sphärische Form, eine enge Partikelgrößenverteilung und eine homogene Zusammensetzung und können daher in automobilen und nicht-automobilen (Energie, Raumfahrt, Schifffahrt usw.) industriellen Anwendungen eingesetzt werden. Das Verfahren ist auch viel schneller im Vergleich zu herkömmlichen, kommerziell erhältlichen Zentrifugalzerstäubern. Kurz gesagt, der hier vorgestellte Zerstäuber kann im Vergleich zu kommerziell erhältlichen Zentrifugalzerstäubern größere Mengen besserer Partikel in kürzerer Zeit erzeugen.
-
Der vorliegend offenbarte mehrstufige Zentrifugalzerstäuber kann für die Gas/Wasser-Zerstäubung und in jenen Anwendungen eingesetzt werden, in denen die Morphologie, Reinheit und Partikelgrößenverteilung der Partikel weniger restriktiv sind. Schlupf (der sich nachteilig auf die Zerkleinerung von geschmolzenem Material auswirkt) kann in einem einstufigen Zerstäuber auftreten, aber dies kann durch die hier offenbarte mehrstufige Beschleunigung vermieden werden.
-
Während die obige Offenbarung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, wird es von den Fachleuten verstanden werden, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Elemente davon durch Äquivalente ersetzt werden können, ohne von ihrem Anwendungsbereich abzuweichen. Darüber hinaus können viele Änderungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Offenbarung anzupassen, ohne von ihrem wesentlichen Anwendungsbereich abzuweichen. Es ist daher beabsichtigt, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die einzelnen offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern alle Ausführungsformen einschließt, die in ihren Anwendungsbereich fallen.
