DE112006003848T5

DE112006003848T5 - Vorrichtung zur Zerstäubung mit präzise ausgerichteten Flüssigkeitsröhrchen und Fertigungsmethode

Info

Publication number: DE112006003848T5
Application number: DE112006003848T
Authority: DE
Inventors: Ingo Scheer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-04-24
Filing date: 2006-04-24
Publication date: 2010-06-02
Also published as: WO2007123538A1

Abstract

Eine Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit in feine Tropfen, bestehend aus:
mindestens einem feinen Flüssigkeitsröhrchen mit einer Außenwand, einem Flüssigkeitseintritt und einem Flüssigkeitsaustritt;
einer Kappe, die das Flüssigkeitsröhrchen umgibt, weitgehend konzentrisch in Bezug zum Flüssigkeitsröhrchen angeordnet ist sowie eine Austrittsöffnung nahe der Austrittsöffnung des Flüssigkeitsröhrchens aufweist; und
einem Halter mit mindestens einem Halteabschnitt, durch den sich das Flüssigkeitsröhrchen erstreckt;
dadurch gekennzeichnet, dass
die Außenwand des Flüssigkeitsröhrchens innerhalb des Halteabschnitts fixiert ist, um eine Verschiebung des Flüssigkeitsröhrchens orthogonal zur Achse des Halteabschnitts zu vermeiden und eine Bearbeitung der Flüssigkeitsröhrchenhalter-Kombination zu ermöglichen;
mindestens ein Teil des Austrittsendes des Flüssigkeitsröhrchens und der Teil des Halters, der zur Ausrichtung der Kappe in Bezug zur Flüssigkeitsröhrchenhalter-Kombination verwendet wird, bearbeitet werden, um den Ausrichtungsfehler zwischen dem Austrittsende des Flüssigkeitsröhrchens und dem Halters zu kompensieren; und
die Kappe mit der besagten Fläche des Halters verbunden ist, um einen Zwischenraum zwischen...

Description

Querverweis zu verwandten Anmeldungen
Diese Anmeldung bezieht sich auf und beansprucht Priorität der U.S. Patentanmeldung mit dem Titel „Zerstäubungsgerät mit präzise ausgerichtetem Flüssigkeitsröhrchen und Fertigungsmethode” vom 21. April 2006, angemeldet von Ingo Scheer.
Staatlich gefördertes Forschungsprojekt

Nicht zutreffend

Sequenzprotokoll oder -programm

Nicht zutreffend

Hintergrund der Erfindung – Fachgebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zerstäubung mit einem feinen Flüssigkeitsröhrchen und eine Methode zur Herstellung des Zerstäubungsgeräts zur Erzielung einer reproduzierbaren Tropfengröße und einer reproduzierbaren räumlichen Tropfenverteilung. Die Erfindung ist besonders geeignet für die Beschichtung von medizinischen Geräten sowie für die Herstellung von Aerosolen.
Hintergrund der Erfindung
Vorrichtungen zur Zerstäubung von Flüssigkeiten mit einem feinen Röhrchen zur Flüssigkeitszuführung finden in verschiedenen Bereichen Anwendung, wie z. B. bei medizinischen Verneblern, zur chemischen Analyse von Flüssigkeitsproben und in Beschichtungsgeräten zur Zerstäubung kleiner Flüssigkeitsmengen.
1 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Vorderabschnitts eines herkömmlichen beispielhaften Zerstäubungsgeräts, das ein inneres Flüssigkeitsröhrchen und einen Halter zur Sicherung des Flüssigkeitsröhrchen aufweist. Das Zerstäubungsgerät kann am Flüssigkeitsaustritt mit einer Kappe versehen sein, um einen Ringspalt 106 zwischen dem inneren Flüssigkeitsröhrchen und der das Flüssigkeitsröhrchen umgebenden Kappe zu formen. Der Halter weist eine zentrale Bohrung zur Ausrichtung des Röhrchens auf. Der Innendurchmesser des Halters ist größer bemessen als der Außendurchmesser des Röhrchens 104. Um das Flüssigkeitsröhrchen auszurichten, können ferner weitere zentral angeordnete Bohrungen (nicht dargestellt) innerhalb des Halters vorgesehen werden, die so bemessen sind, dass der Bohrungsdurchmesser etwas größer als der Außendurchmesser des Flüssigkeitsröhrchen ist.
Zu den herkömmlichen Mechanismen zur Fixierung des Flüssigkeitsröhrchens zählen beispielsweise Konusverschraubungen wie in US-Patentanmeldung Nr. US2005/0029442 beschrieben, Klemmhülsenverbindung gemäß US-Patent Nr. 6.337.480 oder klammerartige Haltevorrichtungen gemäß US-Patent Nr. 5.868.322 und Nr. 6.032.876 . Zerstäubungs- und Tropfentransporteffizienz werden in der Regel von der räumlichen Tropfenverteilung im Sprühstrahl und von der Tropfengröße beeinflusst, die wiederum von der Form der Düsenspitze und/oder von der Rundheit sowie Konzentrizität des Ringspalts beeinflusst wird. Dies gilt insbesondere für Sprühgeräte mit einem vergleichsweise kleinen Ringspalt für das Zerstäubungsgas.
Jedoch kann mit herkömmlichen Zerstäubungsgeräten eine konzentrische Ausrichtung zwischen Röhrchenhalter-Kombination (Zusammenbau zwischen Röhrchen und Halter) und Gaskappe nur unzureichend gesichert werden, was zu einer Fehlausrichtung zwischen Flüssigkeitsröhrchen und Kappe führen kann. Eine stabile und sichere Unterstützung des Flüssigkeitsröhrchens ist u. U. nicht gewährleistet, weil das Röhrchen im Allgemeinen am Flüssigkeitsaustritt nicht ausreichend fixiert ist. Herkömmliche Vorrichtungen zur Fixierung des Flüssigkeitsröhrchens ermöglichen zudem oft aufgrund von Zusammenbautoleranzen keine präzise und reproduzierbare Positionierung des Flüssigkeitsröhrchens in Bezug zur Kappe. Zum Beispiel können Toleranzen zwischen dem Außendurchmesser von Röhrchen 104 und Innendurchmesser von Bohrung 103 sowie Toleranzen zwischen Zentrierabsatz und Kappe, wie in 1 gezeigt, zu beträchtlichen Ausrichtungsfehlern zwischen Flüssigkeitsröhrchen und Kappe führen. Aus US-Patent Nr. 5.868.322 und 6.032.876 sind Zerstäubungsgeräte bekannt, die ein das innere Flüssigkeitsröhrchen umgebendes Außenrohr mit einem klammerartigen Halter zur mechanischen Sicherung des inneren Flüssigkeitsröhrchens aufweisen. Allerdings kann eine präzise konzentrische Ausrichtung von Flüssigkeitsröhrchen und Außenrohr aufgrund von Montagetoleranzen und möglichen Fertigungstoleranzen von Innen und/oder Außenrohr nicht gewährleistet werden. Darüber hinaus weisen derartige klammerartige Halter Gaskanäle auf, die zu einer Einschnürung der Gasströmung führen können, wodurch Turbulenzen in der Gasströmung und damit ein instabiles Strömungsfeld sowie eine unbeständige Sprühqualität verursacht werden kann. Außerdem erschweren die Gaskanäle, die entlang des Flüssigkeitsröhrchens (Mikroröhre) ausgebildet sind, die Erzeugung eines Strömungsfeldes mit Drehimpuls, was wünschenswert ist, um den Zerstäubungsprozess zu verbessern.
Ein weiterer Nachteil herkömmlicher Zerstäubungsgeräte mit handelsüblichen Röhrchen für den Flüssigkeitstransport ist mangelnde Rundheit und Oberflächenqualität der Röhrchen sowie eine schwierige Bearbeitung. Aufgrund des vergleichsweise kleinen Außendurchmessers und der relativ großen Länge derartiger Röhrchen ist es schwierig oder teilweise sogar unmöglich, Fertigungstoleranzen handelsüblicher Röhrchen durch eine mechanische Bearbeitung der Düsenspitze zu beheben. Um bestehende Qualitätsprobleme bei handelsüblichen Flüssigkeitsröhrchen zu minimieren und eine konzentrische Ausrichtung zu gewährleisten, ist es aber wünschenswert, die Spitze des Flüssigkeitsröhrchens zu überarbeiten oder gar zu formen, was insbesondere bei einer Elektrostatik-Zerstäubung vorteilhaft ist. Außerdem besteht bei herkömmlichen Sprühgeräten die Gefahr einer Fehlausrichtung des Flüssigkeitsröhrchens in Relation zur Kappe bei Demontage und Zusammenbau der Röhrchenhalter-Kombination während Reinigungs- und Wartungsarbeiten, was eine Verschlechterung der Zerstäubungsqualität zur Folge haben kann.
Des Weiteren wurde beobachtet, dass bei pneumatischen Zerstäubungsgeräten mit einem sehr feinen Flüssigkeitsröhrchen, das zum Zerstäubungsende hin nicht ausreichend stabilisiert ist, die Zerstäubungsqualität während des Sprühprozesses instabil ist. Dies liegt darin begründet, dass die Position und Ausrichtung des Flüssigkeitsröhrchens in Bezug zur Gasöffnung durch den aus dem Ringspalt austretenden und das Flüssigkeitsröhrchen umgebenden Gasstrom 105 (1) beeinflusst werden kann. Je nach Betriebsbedingungen und Zerstäubungsgerät-Konfiguration kann der Gasfluss das Flüssigkeitsröhrchen in Schwingungen versetzen. Dadurch ändert sich die Position des Flüssigkeitsröhrchens während des Sprühprozesses, so dass mit der Zeit die Sprühqualität des Zerstäubungsgeräts unbeständig wird.
Defekte an der Düsenspitze und/oder entlang des Ringspalts verursachen ein inhomogenes Sprühbild, einen relativ breiten Tropfengrößenbereich und einen Anstieg der Tropfengröße. Darüber hinaus kann die Form und Oberflächenqualität der Düsenspitze den Tropfenzerfall beeinflussen und die Effizienz des Zerstäubungsprozesses, insbesondere im Falle einer elektrostatischen Zerstäubung, verschlechtern. Rundheit und konzentrische Ausrichtung des Ringspalts beeinflussen die Zerstäubungsqualität von pneumatischen Zerstäubungsgeräten und insbesondere die räumliche Partikelverteilung sowie die Homogenität der Tropfchengrößenverteilung. Kleine Defekte und eine Exzentrizität zwischen der Zentrumsachse von Flüssigkeitsröhrchen und der Zentrumsachse der Kappe können eine asymmetrische Strömung des Zerstäubungsgases in Bezug zur Achse der aus dem Flüssigkeitsrohr austretenden Flüssigkeit verursachen. Inhomogene Gasgeschwindigkeiten innerhalb des Ringspalts führen aber zu einer inhomogenen Verteilung des Zerstäubungsgases an verschiedenen Seiten des Sprühstrahls.
Unzureichende Stabilität des Flüssigkeitsstrahls, Anstieg der Tropfengröße und inhomogene Tropfenverteilung können eine unzureichende Reproduzierbarkeit und mangelnde Stabilität von Sprühprozessen verursachen, was wiederum zu Beschichtungsmängeln oder zu einer verringerten Probenanalyseneffizienz führen kann.
Gegenstand der Erfindung
Es besteht daher ein Bedarf für ein Zerstäubungsgerät, mit dem die Nachteile herkömmlicher Vorrichtungen vermieden werden können und eine verbesserte Stabilität und Reproduzierbarkeit von Präzisionssprühprozessen ermöglicht werden kann.
Gegenstand der Erfindung ist ein Zerstäubungsgerät mit einer Röhrchenhalter-Kombination, bei der das Flüssigkeitsröhrchen innerhalb des Halters im Bereich des Flüssigkeitsaustritts festgehalten wird, und Ausrichtungsfehler zwischen Flüssigkeitsröhrchen und Halter durch ein Endbearbeitungsverfahren ausgeglichen werden.
Ein weiteres Ziel ist es, durch eine Bearbeitung der Röhrchenhalter-Kombination, insbesondere der Spitze des Flüssigkeitsröhrchens, Defekte des Flüssigkeitsröhrchens zu minimieren und die Zerstäubungsqualität zu optimieren.
Weiterhin beinhaltet die Erfindung ein pneumatisches Zerstäubungsgerät, bestehend aus einer Röhrchenhalter-Kombination und einer Kappe, das eine konzentrische Ausrichtung des Röhrchens in Bezug zur Kappe und damit ein gleichförmiges Sprühbild und kleine Tropfen mit einer engen Tropfenverteilung sichert.
Ferner beinhaltet die Erfindung ein Zerstäubungsgerät, das einen ungestörten Fluss des Zerstäubungsgases sichert, um ein stabiles Strömungsfeld und eine gleichbleibende Zerstäubung zu gewährleisten.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die reproduzierbare Fertigung eines Zerstäubungsgeräts mit einem kompakten und robusten Aufbau, um eine wiederholbare Zerstäubungsqualität innerhalb einer Serie von Sprühgeräten zu ermöglichen.
Ferner ist es Gegenstand der Erfindung eine einfache Montage und Demontage des Zerstäubungsgeräts und gleichzeitig eine konzentrische Ausrichtung von Luftkappe in Relation zum Flüssigkeitsröhrchen zu ermöglichen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Herstellungsverfahren für das Zerstäubungsgerät (Röhrchenhalter-Kombination), das eine Bearbeitung der Spitze des Flüssigkeitsröhrchens ermöglicht, wodurch eine optimierte konzentrische Ausrichtung, Rundheit und Oberflächengüte erzielt wird.
Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung der beispielhaften Ansprüche und anhand der begleitenden Zeichnungen weiter ausgeführt.
Zusammenfassung
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit in feine Tropfen. Die Vorrichtung besteht aus mindestens einem feinen Flüssigkeitsröhrchen mit einer Außenwand, einem Flüssigkeitseintritt und einem Flüssigkeitsaustritt, einer Kappe, die das Flüssigkeitsröhrchen umgibt, weitgehend konzentrisch in Bezug zum Flüssigkeitsröhrchen angeordnet ist sowie eine Austrittsöffnung nahe der Austrittsöffnung des Flüssigkeitsröhrchens aufweist, und einem Halter mit mindestens einem Halteabschnitt, durch den sich das Flüssigkeitsröhrchen erstreckt. Die Außenwand des Flüssigkeitsröhrchens ist innerhalb des Halteabschnitts fixiert, um eine Verschiebung des Flüssigkeitsröhrchens orthogonal zur Achse des Halteabschnitts zu vermeiden und eine Bearbeitung der Flüssigkeitsröhrchenhalter-Kombination zu ermöglichen. Mindestens ein Teil des Flüssigkeitsröhrchens und mindestens ein Teil des Halters werden bearbeitet, um den Ausrichtungsfehler zwischen der Achse des Flüssigkeitsröhrchens und der Achse des Halters zu kompensieren. Die Kappe ist mit der bearbeiteten Fläche des Halters verbunden, um einen Zwischenraum zwischen Flüssigkeitsröhrchenhalter-Kombination und Kappe auszubilden, wobei der Zwischenraum mindestens einen Gaseinlass, der direkt in den Zwischenraum speist, und mindestens eine Austrittsöffnung beinhaltet und frei von Einbauten ist. In ein oder mehreren Ausführungsformen kann mindestens ein Gaseinlass so angeordnet sein, dass ein Gasströmungsfeld mit einem Drehimpuls erzeugt wird. Die Flüssigkeitsröhrchenhalter-Kombination kann in einer Aufspannung bearbeitet werden. Das Flüssigkeitsröhrchen ist fest in dem Halteabschnitt gehalten. Der Halteabschnitt des Halters kann am Austrittsende des Flüssigkeitsröhrchens ausgebildet sein. Die Flüssigkeitsröhrchenhalter-Kombination kann durch eine Drehbearbeitung und Halter und Röhrchen in einem Endbearbeitungsschritt gefertigt werden. Die Austrittsöffnung der Kappe kann durch Innenausdrehen gefertigt werden, um eine verbesserte Rundheit zu erzielen. Die Vorrichtung kann zudem eine Einrichtung zur Bildung eines elektrischen Feldes beinhalten.
Eine weitere Ausführungsform beinhaltet eine Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit in feine Tropfen. Die Vorrichtung umfasst mindestens ein feines Flüssigkeitsröhrchen mit einer Außenwand, einem Flüssigkeitseintritt und einem Flüssigkeitsaustritt, einen Halter mit mindestens einem Halteabschnitt, durch den sich das Flüssigkeitsröhrchen erstreckt, und eine Einrichtung zur Bildung eines elektrischen Feldes am Flüssigkeitsaustritt zur Zerteilung der Flüssigkeit. Die Außenwand des Flüssigkeitsröhrchens ist innerhalb des Halteabschnitts fixiert, um eine Verschiebung des Flüssigkeitsröhrchens orthogonal zur Achse des Halteabschnitts zu vermeiden und eine Bearbeitung der Flüssigkeitsröhrchenhalter-Kombination zu ermöglichen. Mindestens ein Teil des Flüssigkeitsröhrchens und mindestens ein Teil des Halters werden bearbeitet, um einen Ausrichtungsfehler zwischen der Achse des Flüssigkeitsröhrchens und der Achse des Halters zu kompensieren. In ein oder mehreren Ausführungsformen kann die Bearbeitung der Flüssigkeitsröhrchenhalter-Kombination in einer Aufspannung vorgenommen werden. Das Flüssigkeitsröhrchen kann im Haltebereich fest fixiert sein. Das Austrittsende des Flüssigkeitsröhrchens kann so bearbeitet werden, dass der Durchmesser des Austrittsendes verringert und geformt wird, um die Zerstäubungsqualität der Vorrichtung zu verbessern. Die Bearbeitung der Flüssigkeitsröhrchenhalter-Kombination kann durch Drehen vorgenommen werden, und Halter und Röhrchen können in einem Endbearbeitungsschritt bearbeitet werden. Das Flüssigkeitsröhrchen kann zusätzlich durch eine Konusverschraubung mit der elektrischen Einrichtung verbunden werden.
In verschiedenen Ausführungsformen wird eine Methode zur Bearbeitung einer Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit in feine Tropfen offenbart, wobei die Vorrichtung ein feines Flüssigkeitsröhrchen mit einer Außenwand, einen Flüssigkeitseintritt und einen Flüssigkeitsaustritt sowie einen Halter mit mindestens einem Haltebereich für das Flüssigkeitsröhrchen beinhaltet. Die Methode umfasst die folgenden Schritte: Verbinden des Flüssigkeitsröhrchens mit dem Halter, so dass die Außenwand des Flüssigkeitsröhrchens im Halter in dem Halteabschnitt fest gehalten wird, um eine Bearbeitung der Röhrchenhalter-Kombination zu ermöglichen sowie Bearbeiten der Röhrchenhalter-Kombination, so dass mindestens ein Teil des Flüssigkeitsröhrchens und mindestens ein Teil des Halters bearbeitet wird, um den Ausrichtungsfehler zwischen der Achse des Flüssigkeitsröhrchens und der Achse des Halters zu kompensieren. In ein oder mehreren Ausführungsformen kann es sich bei der spanabhebenden Bearbeitung der Flüssigkeitsröhrchenhalter-Kombination um eine Drehbearbeitung handeln und Halter und Röhrchen können in einem Endbearbeitungsschritt gefertigt werden.
Eine weitere Ausführungsform beinhaltet eine Methode zur Bearbeitung einer Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit in feine Tropfen, die ein feines Flüssigkeitsröhrchen mit einer Außenwand, einem Flüssigkeitseintritt und einen Flüssigkeitsaustritt sowie einen Halter mit mindestens einem Haltebereich für das Flüssigkeitsröhrchen umfasst. Die Methode umfasst folgende Schritte: Bearbeiten des Haltebereichs des Flüssigkeitsröhrchens durch Innenausdrehen, wobei mindestens ein Teil der Endkontur des Halters in einer Aufspannung gefertigt wird sowie Verbinden des Flüssigkeitsröhrchen mit dem Halter, so dass die Außenwand des Flüssigkeitsröhrchens innerhalb des Haltebereichs gesichert und das Flüssigkeitsröhrchen an einer vorgegebenen Position in Bezug zum Halter fixiert ist.
Zeichnungen
Die begleitenden Zeichnungen dienen der Erläuterung der Grundsätze der Erfindung. Die Zeichnungen sind in vereinfachter Form und nicht maßstabsgetreu dargestellt.
1 (Stand der Technik) ist eine Längsquerschnittansicht des Vorderteils eines herkömmlichen Zerstäubungsgeräts.
2 ist eine Längsquerschnittansicht des Vorderteils des Zerstäubungsgeräts der gegenwärtigen Erfindung.
3 ist eine schematische Darstellung eines Herstellungsverfahrens zur Bearbeitung einer Röhrchenhalter-Kombination mit Endbearbeitungsverfahren.
4A ist eine Längsquerschnittansicht eines Halters mit einem Halteabschnitt für das Flüssigkeitsröhrchen.
4B ist eine Längsquerschnittansicht einer Röhrchenhalter-Kombination vor einer Bearbeitung.
4C ist eine Längsquerschnittansicht einer Röhrchenhalter-Kombination nach einer Bearbeitung.
5A ist eine Längsquerschnittansicht eines Zerstäubungsgeräts (Röhrchenhalter-Kombination) ohne Kappe.
5B ist eine vergrößerte Ansicht der Düsenspitze des in 5A gezeigten Zerstäubungsgeräts.
6A ist eine Längsquerschnittansicht eines Zerstäubungsgeräts mit einer Gaskappe und einem Hochspannungsanschluss.
6B ist eine vergrößerte Längsansicht des durch den Zwischenraum zwischen Röhrchenhalter-Kombination und Kappe ausgebildeten Gasdurchlasses.
6C ist eine 3D-Ansicht des durch den Zwischenraum zwischen Röhrchenhalter-Kombination und Kappe ausgebildeten Gasdurchlasses.
7 ist eine schematische Darstellung eines Herstellungsverfahrens zur Fertigung einer Röhrchenhalter-Kombination.
8A ist eine Längsquerschnittsansicht eines Halters mit Halteabschnitt für das Flüssigkeitsröhrchen.
8B ist eine Längsquerschnittsansicht einer Röhrchenhalter-Kombination.
8C ist eine Längsquerschnittsansicht einer Montiervorrichtung.
9 (Stand der Technik) zeigt eine räumliche Tropfenverteilung eines herkömmlichen Zerstäubungsgeräts.
10 zeigt eine räumliche Tropfenverteilung des Zerstäubungsgeräts der gegenwärtigen Erfindung.
11 ist ein Vergleich der Tropfengrößenverteilungen zwischen einem herkömmlichen Zerstäubungsgerät und dem erfindungsgemäßen Zerstäubungsgerät.
12 ist ein Vergleich des Variationskoeffizienten (COV) zwischen einem herkömmlichen und dem erfindungsgemäßen Zerstäubungsgerät.
Kurze Beschreibung der Erfindung/Bevorzugte Ansprüche
Die Erfindung betrifft eine kompakte Vorrichtung zur reproduzierbaren Zerstäubung einer Flüssigkeit mit einer verbesserten Prozessstabilität, Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit im Vergleich zu herkömmlichen Sprühgeräten. Das Zerstäubungsgerät ist so ausgelegt, dass eine präzise und reproduzierbare Fertigung der Röhrchenhalter-Kombination gemäß der im Folgenden beschriebenen Fertigungsmethode ermöglicht wird. Das Flüssigkeitsröhrchen ist in einem Haltebereich, der zwischen Flüssigkeitsröhrchen und Halter ausgebildet ist, im Bereich des Flüssigkeitsaustritts eingebettet, um das Flüssigkeitsröhrchen stabil zu halten, so dass ein weitgehend ungestörter Fluss des Zerstäubungsgases gesichert ist. Die Erfindung betrifft im weitesten Sinne ein Zerstäubungsgerät bestehend aus mindestens einer Flüssigkeitsröhrchenhalter-Einheit, wobei das Flüssigkeitsröhrchen fest innerhalb des Halters am Flüssigkeitsaustritt eingebettet ist. Flüssigkeitsröhrchen und Halter sind konzentrisch entlang einer gemeinsamen Symmetrieachse angeordnet und das Flüssigkeitsröhrchen ist in einer zentralen Position gesichert. Bei verschiedenen Ausführungsformen ist eine Kappe vorgesehen, die in Verbindung mit der Flüssigkeitsröhrchenhalter-Einheit einen Durchlass für das Zerstäubungsgas bildet. Die Kappe kann beispielsweise durch ein Gewinde auswechselbar montiert und durch einen Zentrierabschnitt zwischen Halter und Kappe justiert werden, um eine konzentrische Ausrichtung zwischen Flüssigkeitsröhrchen und Kappe sowie eine reproduzierbare Montage und Demontage zu gewährleisten.
Ausführliche Beschreibung
Auch wenn die Erfindung beispielhaft anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben wird, ist sie nicht auf diese beschränkt. Die Erfindung umfasst vielmehr verschiedene Modifikationen, alternative Ausführungen und Verfahren. Es wird darauf hingewiesen, dass die Beschreibung der Erfindung und die Zeichnungen nur beispielhaft und zur besseren Veranschaulichung und nicht als eine Einschränkung der Ansprüche zu verstehen sind.
2 zeigt die Frontansicht des erfindungsgemäßen Sprühgeräts, das ein Flüssigkeitsröhrchen 11, eine Kappe 3 und einen Halter 2 zur Ausrichtung der Kappe in Bezug zum Flüssigkeitsröhrchen umfasst. Der Halter ist vorzugsweise aus Edelstahl oder aus einem Kunststoff gefertigt, wie z. B. Polyetheretherketon (PEEK). Das Flüssigkeitsröhrchen besteht vorzugsweise aus einem chemisch beständigen Material, beispielsweise aus einem Edelstahl oder Kunststoff, das sich spanabhebend bearbeiten lässt. Der Außendurchmesser des Flüssigkeitsröhrchen kann je nach Anwendung zwischen ca. 0,3 und 1,615 mm betragen. Es wird darauf hingewiesen, dass die in der Erfindung genannten Maße beispielhaft und nicht als Einschränkung zu verstehen sind. Das Flüssigkeitsröhrchen 11 erstreckt sich, wie in diesem Anspruch veranschaulicht, axial innerhalb von Halter 2 und Luftkappe 3, so dass das Flüssigkeitsröhrchen die Luftkappe leicht überragt. Alternativ kann das Flüssigkeitsröhrchen bündig mit der Kappe abschließen oder in Bezug zur Kappe versenkt angeordnet werden. Das Flüssigkeitsröhrchen 11 ist fest mit Halter 2 über Verbindung 17 gekoppelt. Die Verbindung 17 am Flüssigkeitsaustritt von Röhrchen 11 sichert das Flüssigkeitsröhrchen 11 entlang des Gesamtumfangs. Die Achse von Flüssigkeitsröhrchenspitze 19 ist mit der Achse von Zentrierabsatz 34 für Kappe 3 konzentrisch. Die Kappe 3 wird durch Zentrierabsatz 34 so ausgerichtet, dass die Achse von Röhrchenhalter-Kombination mit der Achse von Kappe 3 konzentrisch ist. Die Kappe 3 kann somit während Reinigungs- und Wartungsarbeiten des Sprühgerätes einfach demontiert werden, wobei Ausrichtungsfehlern vorgebeugt wird. Die Kappe 3 ist mit der Röhrchenhalter-Kombination über ein Gewinde 36 verbunden, so dass ein kleiner Ringspalt 16 für das Ausströmen des Zerstäubungsgases ausgebildet wird. Der Durchmesser der Spitze des Flüssigkeitsröhrchens 19 und der Durchmesser der Gasöffnung 20 der Kappe definieren die Größe des Ringspalts. Der Halter sichert das Flüssigkeitsröhrchen in einer zentrischen Position und ermöglicht die Endbearbeitung der Röhrchenhalter-Kombination und die Bearbeitung der winzigen Spitze des Flüssigkeitsröhrchens. Um eine präzise Ausrichtung zwischen Flüssigkeitsröhrchen und Halter zu sichern, wird die Spitze des Flüssigkeitsröhrchens 19 und die äußere Kontur des Halters in einer Aufspannung vorzugsweise durch eine Drehbearbeitung gefertigt. Markierung 42 zeigt die Kontur der bearbeiteten Fläche. Die Endbearbeitung der Röhrchenhalter-Kombination kompensiert Ausrichtungsfehler. Auf diese Weise kann eine präzise und stabile Ausrichtung des Flüssigkeitsröhrchens 11 in Bezug zum Zentrierabsatz 34 von Halter 2 sichergestellt werden. Neben der Vorbeugung von Ausrichtungsfehlern, ist die Rundheit 20 der Austrittsöffnung von Kappe 3 und der Öffnung des Flüssigkeitsröhrchens 19 für die Gleichförmigkeit und Reproduzierbarkeit des Zerstäubungsprozesses von zentraler Bedeutung. Um eine optimale Rundheit zu erzielen, werden Öffnung 20 von Luftkappe 3 und die Öffnung des Flüssigkeitsröhrchens 19 vorzugsweise durch eine Präzisionsdrehbearbeitung gefertigt.
Während des Betriebs wird die zu versprühende Flüssigkeit dem Flüssigkeitseinlass zugeführt. Das Zerstäubungsgas wird in den Gaseinlass 5 der Kappe gespeist und strömt durch den Gasdurchlass 6, der durch den Zwischenraum zwischen der Röhrchenhalter-Kombination und Kappe ausgebildet ist, zum Gasaustritt und verlässt das Zerstäubungsgerät durch den zwischen Flüssigkeitsröhrchen und der Bohrung in der Kappe ausgebildeten Ringspalt. Das Zerstäubungsgas zerteilt die Flüssigkeit beim Ausströmen aus der Flüssigkeitsöffnung. Flüssigkeit und Gas werden außerhalb des Zerstäubungsgeräts vermischt und es werden feine Tropfen (Aerosole) gebildet.
Durch Sicherung einer stabilen Verbindung und verbesserter Ausrichtung zwischen Flüssigkeitsröhrchen 11 und Halter 2 und durch die Bearbeitung der Röhrchenhalter-Kombination, kann die Konzentrizität zwischen Flüssigkeitsröhrchen 19 und Öffnung 20 von Kappe 3 verglichen mit herkömmlichen Zerstäubungsgeräten wesentlich optimiert werden. Folglich ist die Strömung des Zerstäubungsgases innerhalb des Ringspalts rund um die Sprühachse sehr gleichmäßig, was ein symmetrisches Sprühbild zur Folge hat.
Um Ausrichtungsfehlern zwischen Flüssigkeitsröhrchen und Halter vorzubeugen und die Rundung der Spitze des Flüssigkeitsröhrchens zu verbessern, kann ein Fertigungsverfahren wie schematisch in 3 dargestellt und in 4A–C veranschaulicht durchgeführt werden.
4A zeigt Halter 2, der aus einem stabilen Stab gefertigt wird. Für eine optimierte Ausrichtung von Zentrier- oder Haltebereich 37 und Halteraußendurchmesser 12 erfolgt die Fertigung vorzugsweise in der gleichen Aufspannung durch Drehbearbeitung mittels einer Präzisionsdrehmaschine. Der Zentrierbereich 37 wird vorzugsweise durch Innenausdrehen bearbeitet, da bei diesem Verfahren Rundheitsfehlern, die bei anderen Bearbeitungsverfahren, wie beispielsweise beim Bohren, auftreten, vorgebeugt werden kann. Je nach Größe des Flüssigkeitsröhrchens 11 hat der Zentrierbereich 37 einen Durchmesser von ca. 0,3 bis 2 mm und eine Länge von ca. 2 bis 6 mm. In einem weiteren Schritt, wie in 4B veranschaulicht, wird das Flüssigkeitsröhrchen 11 im Halter 2 montiert. Um eine stabile Verbindung zwischen Halter 2 und Flüssigkeitsröhrchen 11 zu sichern, kann mindestens eine Verbindung zwischen dem Halter und dem Flüssigkeitsröhrchen vorgesehen werden. Weitere Verbindungen können ausgebildet werden um die Stabilität des Flüssigkeitsröhrchens und die Bearbeitung des Zusammenbaus zusätzlich zu optimieren. Beispielsweise kann das Flüssigkeitsröhrchen am Flüssigkeitseinlass durch Element 18 gesichert werden, um eine Verbindung 23 durch Pressen, Schrumpfen oder Kleben zu schaffen. Alternativ kann eine lösbare Verbindung mittels beispielsweise einer Konusverschraubung vorgesehen werden. Je nach Abmessungen und Material des Flüssigkeitsröhrchens 11 kann eine feste Verbindung 17 zwischen Halter 2 und Flüssigkeitsröhrchen 11, mit der das Flüssigkeitsröhrchen 11 entlang seiner gesamten Umfangsfläche gehalten wird, wie im Folgenden beschrieben erzielt werden. Wird die Verbindung 17 durch Pressen oder Schrumpfen geschaffen, wird der Durchmesser des Zentrierbereichs 37 ein wenig kleiner bemessen als der Außendurchmesser des Flüssigkeitsröhrchens 11. Dies kann beispielsweise durch die Schaffung einer Temperaturdifferenz zwischen Halter und Flüssigkeitsröhrchen erreicht werden, wobei beispielsweise der Halter 1 erhitzt und das Flüssigkeitsröhrchen 11 gekühlt wird. Das Flüssigkeitsröhrchen 11 wird in den Halter 2 gepresst, bis die Stirnfläche 13 von Flüssigkeitsröhrchen 11 und die Stirnfläche 14 von Halter 2 bündig sind. Alternativ dazu kann eine feste Verbindung durch eine Klebeverbindung zwischen Flüssigkeitsröhrchen 11 und Halter 2 erzielt werden. Dabei wird der Innendurchmesser von Halter 2 etwas größer bemessen als der Außendurchmesser des Flüssigkeitsröhrchens 11. Ein dünner Klebefilm wird auf die äußere Oberfläche von Flüssigkeitsröhrchen 11 und/oder Zentrierbereich 37 aufgetragen, um das Flüssigkeitsröhrchen 11 mit dem Halter 2 sicher zu verbinden. Das Flüssigkeitsröhrchen 11 wird in den Halter gelegt, so dass die Stirnfläche 13 von Flüssigkeitsröhrchen 11 und die Stirnfläche 14 von Halter 2 bündig abschließen. 4C zeigt die bearbeitete Fläche 42 der Röhrchenhalter-Kombination nach dem Endbearbeitungsverfahren. Die bearbeitete Fläche 42 kann sich von der Spitze des Flüssigkeitsröhrchens 19 zur zylindrischen Außenfläche von Halter 2 erstrecken und Zentrierabsatz 34 und Gewindeabschnitt 36 zur Ausrichtung und Montage der Kappe beinhalten. Das Endbearbeitungsverfahren kompensiert mögliche Mängel von handelsüblichen Flüssigkeitsröhrchen und ermöglicht die Bearbeitung der Spitze des Flüssigkeitsröhrchens, um das Zerstäubungsgerät auf die jeweilige Anwendung zuzuschneiden.
Das Endbearbeitungsverfahren der Röhrchenhalter-Kombination des Zerstäubungsgeräts wird im Folgendem in 6 und ausführlich in 5A und B beschrieben.
5B ist eine vergrößerte Ansicht der Röhrchenhalter-Kombination mit einer bearbeiteten Fläche 42, die sich zu einem zur Flüssigkeitsöffnung des Flüssigkeitsröhrchens 11 hin verjüngenden Bereich erstreckt. Um die Bearbeitung des Zentrierbereichs 37 zu erleichtern und die Stabilität der Röhrchenhalter-Kombination zu verbessern, kann ein Edelstahlröhrchen mit einem relativ großen Außendurchmesser verwendet werden, wodurch eine Vergrößerung des Haltebereichs ermöglicht wird. Beispielsweise kann ein Röhrchen (kommerziell erhältlich von Upchurch Scientific, Oak Harbor, USA) mit einem Außendurchmesser von 1/16 Zoll, einem Innendurchmesser von ungefähr 0,2 mm und einer Länge von 2 Zoll verwendet werden, um einen vergleichsweise großen Haltebereich von ca. 6 mm Länge auszubilden. Der Halter kann aus einem Kunststoff wie beispielsweise Polyetheretherketon (PEEK) gefertigt werden. Die Röhrchenhalter-Kombination wird vorzugsweise durch Drehen bearbeitet. Die bearbeitete Fläche 42 erstreckt sich von der Spitze des Sprühgerätes 19 zur zylindrischen Außenfläche des Halters und beinhaltet zwei Zentrierbereiche 34 und einen Gewindebereich 36 zur Montage der Kappe. Die Spitze des Flüssigkeitsröhrchens verjüngt sich zur Flüssigkeitsöffnung hin. Flüssigkeitsröhrchen 11 und Halter 2 werden in einem Endbearbeitungsschritt gefertigt, wodurch ein glatter Übergang zwischen dem sich verjüngenden Bereich von Flüssigkeitsröhrchen 11 und dem sich verjüngendem Bereich von Halter 2 erzielt wird. Der sich verjüngende Bereich der Röhrchenhalter-Kombination wird mittels eines Präzisionsfertigungsverfahrens gefertigt, um eine glatte Fläche und einen Aufprallwinkel für das Zerstäubungsgas auszuformen, wodurch ein ungestörter Gasfluss und eine verbesserte Effizienz des Zerstäubungsprozesses erzielt wird. Ferner können mögliche Ausrichtungsfehler zwischen der Achse von Spitze 19 des Flüssigkeitsröhrchens und der Achse der bearbeiteten äußeren Kontur des Halters kompensiert werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Sprühgerät, dass für eine Bearbeitung der Röhrchenhalter-Kombination ausgelegt ist, wird eine verbesserte Qualität des Ringspalts erzielt, was Fluchtung, Rundheit und Oberflächenqualität anbetrifft. Zudem wird eine vereinfachte, reproduzierbare und kosteneffiziente Bearbeitungsmethode für die Röhrchenhalter-Kombination und insbesondere für die Spitze des Flüssigkeitsröhrchens ermöglicht.
6A zeigt ein beispielhaftes Sprühgerät gemäß der gegenwärtigen Erfindung, bestehend aus einem Halter 2, einem sich verjüngenden Flüssigkeitsröhrchen 11 und optional aus einer Kappe 10. Die Röhrchenhalter-Kombination ist so ausgelegt, dass Ausrichtungsfehler zwischen Spitze 19 von Flüssigkeitsröhrchen 11 und Halter 2 kompensiert werden und eine optimale Rundheit der sich verjüngenden Spitze des Flüssigkeitsröhrchens gewährleistet ist. Die Röhrcherhalter-Kombination wird gemäß dem in 4 und 5 gezeigten Fertigungsverfahren hergestellt. Das Flüssigkeitsröhrchen 11 wird aus Edelstahl gefertigt und Halter 2 und Kappe 10 werden aus einem dielektrischen Material wie beispielsweise Polyetheretherketon (PEEK) oder Polytetrafluorethylen (PTFE oder Teflon) hergestellt. Das Flüssigkeitsröhrchen 11 ist fest im Halter 2 fixiert, um eine anschließende Bearbeitung der Röhrchenhalter-Kombination zu vereinfachen. Zwei Zentrierabschnitte 7 mit unterschiedlichen Außendurchmesser ermöglichen eine verbesserte Ausrichtung von Kappe 10 in Relation zu Halter 2. Das Flüssigkeitsröhrchen 11 wird mit dem Halter 2 durch die feste Verbindung 17 mittels einer Presspassung und einer Konusverschraubung, welche Hülse 24 und Mutter 26 beinhaltet, verbunden. Die Konusverschraubung sichert das Flüssigkeitsröhrchen und verbindet es mit einer Hochspannungsquelle durch Kabel 25. Die Kupplung 29 ist mit Flüssigkeitsröhrchen 11 durch eine zusätzliche Presspassung mittels Mutter 27 und Ferrule 28 verbunden und dient als Flüssigkeitseinlass.
Bezugnehmend auf 6B ist der durch den Zwischenraum zwischen der Röhrchenhalter-Kombination und der Kappe ausgebildete Gasdurchlass 6 frei von Einbauten und weist einen abnehmenden Querschnitt zum Ringspalt 16 hin auf. Während des Betriebs wird das Zerstäubungsgas in einen tangentialen Gaseinlass 5 gespeist. Das Zerstäubungsgas fließt in Richtung des zwischen Kappe und Röhrchenhalter-Kombination ausgebildeten Ringspalt 16. Es wird ein Gasfluss mit einem Drehimpuls generiert, der ein Strömungsfeld mit axialen und radialen Geschwindigkeitskomponenten und damit vergrößerten Scherkräften an der Öffnung des Zerstäubungsgeräts erzeugt. Die zu zerstäubende Flüssigkeit fließt durch das Flüssigkeitsröhrchen zum Flüssigkeitsaustritt und wird durch das Zerstäubungsgas in sehr feine Tropfen mit einer engen Tropfengrößenverteilung zerteilt. Die Zerfallsstrecke der Flüssigkeit kann durch die Erzeugung eines Drehimpulses reduziert werden, so dass eine verbesserte Zerstäubung ermöglicht wird. Zudem ist der Gasdurchlass 6 so gestaltet, dass Turbulenzen minimiert werden und ein stabiler Gasfluss sichergestellt wird, wodurch eine gleichmäßige Zerstäubung der zu versprühenden Flüssigkeit erzielt wird.
Der Zerstäubungsprozess kann durch die Erzeugung eines elektrischen Feldes verbessert werden. Die Flüssigkeit wird wie im Folgenden beschrieben mit einer sehr hohen Spannung elektrisch geladen. Bei einer Elektrostatik-Zerstäubung kann das Zerstäubungsgerät ahne Kappe 10 verwendet werden. Der Zentrierabsatz 34 dient in diesem Falle der Ausrichtung der Röhrchenhalter- Kombination. Während des Betriebs fließt die Flüssigkeit von Flüssigkeitseintritt zur Öffnung 15 von Flüssigkeitsröhrchen 11 innerhalb eines Hochspannungsfeldes und es wird ein feines Spray von geladenen Tropfen generiert. Das elektrische Feld bewirkt einen Zerfall der Flüssigkeit und die Bildung geladener Flüssigkeitstropfen. Abhängig von der Polarität des elektrischen Feldes werden positiv oder negativ geladene Tropfen erzeugt. Die Bildung eines Elektrosprays wird hauptsächlich von der Verteilung des elektrischen Feldes nahe der Spitze 19 von Flüssigkeitsröhrchen 11 beeinflusst, die wiederum von der Geometrie der elektrisch leitfähigen Oberflächen nahe der Spitze abhängt. Um den elektrischen Feldgradienten nahe der Spitze 19 und damit die Zerstäubung zu verbessern, kann das Austrittsende 19 des Flüssigkeitsröhrchens ,angespitzt' und konisch geformt oder je nach Anforderungsprofil angestumpft werden.
Bei Verwendung eines Flüssigkeitsröhrchens aus einem nicht spanabhebend bearbeitbaren Material, wie zum Beispiel einem keramischen Material oder einem Quarzglas, wird vorzugsweise das Bearbeitungsverfahren verwendet, das schematisch in 7 illustriert und in 8A–C beschrieben ist. Gemäß 8A umfasst der Halter 2 einen Zentrierabsatz 34 für die Kappe und einen Halteabschnitt 37 für das Flüssigkeitsröhrchen. Der Durchmesser des Zentrierabsatzes 34 und der Innendurchmesser des Zentrierbereichs 37 der Röhrchenhalter-Kombination wird in der gleichen Aufspannung bearbeitet, um eine präzise Ausrichtung der Kappe 3 in Relation zu Flüssigkeitsröhrchen 1 zu ermöglichen. Der Zentrierabsatz 34 für die Kappe 3 wird vorzugsweise durch Außendrehen und der Zentrierabschnitt 37 für das Flüssigkeitsröhrchen 1 durch Innenausdrehen hergestellt. Um eine optimale Fluchtung zu erzielen, erfolgt die Bearbeitung vorzugsweise durch Innenausdrehen anstatt durch Bohren und Reiben. Der Halter 2 und das Flüssigkeitsröhrchen 1 sind, wie in 8B gezeigt, genau ausgerichtet und fest verbunden. Je nach Material und Größe des Flüssigkeitsröhrchens kann eine feste Verbindung durch Schrumpfen, Presspassung oder Kleben erzielt werden. Bei einer Schrumpf- oder Pressverbindung, wird der innere Zentrierdurchmesser von Zentrierabschnitt 37 etwas kleiner bemessen als der Außendurchmesser von Flüssigkeitsröhrchen 1. Der Halter 2 wird beispielsweise solange erhitzt bis der innere Zentrierdurchmesser größer als der Außendurchmesser des Flüssigkeitsröhrchens 1 ist, um eine Schrumpfverbindung zu erzielen. Im nächsten Schritt wird das Flüssigkeitsröhrchen 1 in einem vorgegebenen Abstand vom Ende des Halters in den Halter 2 gelegt. Alternativ kann eine feste Verbindung durch Verkleben des Flüssigkeitsröhrchens 1 mit Halter 2 hergestellt werden. Der Innendurchmesser des Zentrierabschnitts 37 von Halter 2 wird dann etwas größer bemessen als der Außendurchmesser von Flüssigkeitsröhrchen 1 und ein dünner Klebefilm auf die Außenseite von Flüssigkeitsröhrchen 1 aufgetragen, um das Flüssigkeitsröhrchen mit dem Halter 2 sicher zu verbinden.
Um eine reproduzierbare und genaue Positionierung von Flüssigkeitsröhrchen in Bezug zur Spitze von Halter sicherzustellen, können Flüssigkeitsröhrchen und Halter wie in 8C veranschaulicht mittels einer Montage-Vorrichtung zusammengebaut werden.
Um die Zerstäubungsqualität der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen, wurden verschiedene Sprühversuche durchgeführt. Die räumliche Tropfenverteilung und die Tropfengrößenverteilung wurden gemessen und mit Messwerten eines herkömmlichen Zerstäubungsgeräts verglichen. Bei den getesteten Zerstäubungsgeräten handelt es sich um pneumatische Zerstäubungsgeräte mit einem feinen Flüssigkeitsröhrchen mit einem Innendurchmesser von ca. 0,2 mm.
Das herkömmliche Zerstäubungsgerät besteht aus einem demontierbaren Röhrchen, das mit einer Konusverschraubung gesichert ist. Der vordere Bereich des Zerstäubungsgeräts ist in 1 dargestellt. Das Zerstäubungsgerät der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein nach dem Fertigungsverfahren von 3 fest verbundenes Mikroröhrchen. Das Sprühbild wurde mit einem optischen Patternator 20 mm unterhalb der Öffnung des Zerstäubungsgeräts gemessen. Die zu versprühende Flüssigkeit (Dl Water) wurde mit einer Spritzenpumpe (hergestellt von Hamilton, Reno, NV) mit einem Volumenstrom von 15 ml/h gefördert und das Gas (Luft) bei einem Druck von 0,7 bar zugeführt.
9 zeigt ein Sprühbild eines herkömmlichen Zerstäubungsgeräts mit einer asymmetrischen Tropfenverteilung, wobei eine Ansammlung von großen Tropfen in der rechten Hälfte des Sprühbild (vgl. Markierung 81) zu erkennen sind. Die asymmetrische Tropfenverteilung kann auf inhomogene Gasgeschwindigkeiten innerhalb des Ringspalts zurückgeführt werden, die durch Ausrichtungsfehler zwischen Flüssigkeitsrohr und Kappe und/oder durch Rundheitsfehler des Ringspalts verursacht werden. Im Gegensatz dazu weist das Sprühbild des Zerstäubungsgeräts der gegenwärtigen Erfindung, wie in 10 gezeigt, eine homogene räumliche Tropfenverteilung auf.
Um die Zerstäubungsqualität und insbesondere die Reproduzierbarkeit des Sprühprozesses zu vergleichen wurde eine Tropfengrößenanalyse durchgeführt. Die Tropfengrößen beider Zerstäubungsgeräte wurden mit Hilfe eines Helos BF Laser Diffractometers (hergestellt von Sympatec, Lawrenceville, USA) 30 mm unterhalb der Düsenöffnung gemessen. Die zu versprühende Flüssigkeit wurde mit einer Spritzenpumpe (hergestellt von Hamilton, Reno, NV) mit einem Volumenstrom von 3,5 ml/h zugeführt und das Zerstäubungsgas mit einem Druck von 1,0 bar gespeist. Acht Messungen wurden während einer Sprühzeit von rund fünf Minuten durchgeführt.
11 veranschaulicht, dass das herkömmliche Zerstäubungsgerät eine inkonsistente Tropfengrößenverteilung, insbesondere für Tropfengrößen im Bereich von 0,8 bis 4 Mikron sowie Tropfengrößen von 25 Mikron und mehr, erzeugt. Darüber hinaus wurden in vier Messungen vergleichsweise große Tropfen von 40 Mikron und mehr ermittelt. Im Gegensatz dazu ist die Tropfengrößenverteilung des Zerstäubungsgeräts der gegenwärtigen Erfindung während des gesamten Sprühprozesses vergleichsweise homogen.

12 veranschaulicht den Variationskoeffizienten (COV) beider Zerstäubungsgeräte, der als Maß für die Variation der Sprühqualität über die Zeit zugrunde gelegt werden kann. Der Variationskoeffizient wurde für die Werte ×16, ×50, ×64, ×90 (vgl. Tabelle) berechnet. Die Messdaten wurden für jedes Zerstäubungsgerät in acht Messungen ermittelt.

	ATOMIZER INVENTION				ATOMIZER PRIOR ART
RUN	×16 [μm]	×50 [μm]	×84 [μm]	×90 [μm]	×16 [μm]	×50 [μm]	×84 [μm]	×90 [μm]
1	1.52	5.45	10.42	11.98	2.99	11.18	19	21.25
2	1.53	5.46	10.45	12.02	2.93	11.09	18.75	20.89
3	1.52	5.45	10.42	11.98	2.75	10.97	18.65	20.83
4	1.52	5.46	10.44	12	2.63	11.11	19	21.25
5	1.52	5.46	10.44	12	2.58	10.93	18.52	20.63
6	1.52	5.46	10.46	12.04	2.6	10.95	18.71	20.9
7	1.52	5.44	10.41	11.97	2.61	11.09	19.13	21.58
8	1.52	5.44	10.44	12.02	2.56	11.01	18.84	20.95

Die Variationskoeffizientwerte des erfindungsgemäßen Zerstäubungsgeräts sind, wie in 12 dargestellt, deutlich geringer als die Werte, die mit dem herkömmlichen Zerstäubungsgerät ermittelt wurden. Die reproduzierbare Sprühqualität ist ein Indiz dafür, dass die Flüssigkeitszerstäubung durch Optimierung der Zerstäubungsregion in Bezug auf Fluchtung zwischen Flüssigkeitsröhrchen und Ringspalt, Verbesserung der Oberflächenqualität sowie durch den Sicherungsmechanismus, mit dem ein Ausrichtungsfehler des Flüssigkeitsröhrchens während des Betriebs vorgebeugt werden kann, optimiert werden konnte. Die Versuchsergebnisse unterstreichen die Vorteile der dem erfindungsgemäßen Zerstäubungsgeräts zugrundeliegenden Konstruktions- und Fertigungsmethodik, was Sprühbildqualität und Konsistenz der Zerstäubung anbetrifft.

1. Eine Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit in feine Tropfen, bestehend aus: mindestens einem feinen Flüssigkeitsröhrchen mit einer Außenwand, einem Flüssigkeitseintritt und einem Flüssigkeitsaustritt; einer Kappe, die das Flüssigkeitsröhrchen umgibt, weitgehend konzentrisch in Bezug zum Flüssigkeitsröhrchen angeordnet ist sowie eine Austrittsöffnung nahe der Austrittsöffnung des Flüssigkeitsröhrchens aufweist; und einem Halter mit mindestens einem Halteabschnitt, durch den sich das Flüssigkeitsröhrchen erstreckt; dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwand des Flüssigkeitsröhrchens innerhalb des Halteabschnitts fixiert ist, um eine Verschiebung des Flüssigkeitsröhrchens orthogonal zur Achse des Halteabschnitts zu vermeiden und eine Bearbeitung der Flüssigkeitsröhrchenhalter-Kombination zu ermöglichen; mindestens ein Teil des Flüssigkeitsröhrchens und mindestens ein Teil des Halters bearbeitet werden, um einen Ausrichtungsfehler zwischen der Achse des Flüssigkeitsröhrchens und der Achse des Halters zu kompensieren; die Kappe mit der bearbeiteten Fläche des Halters verbunden ist, um einen Zwischenraum zwischen Flüssigkeitsröhrchenhalter-Kombination und Kappe auszubilden; und der Zwischenraum mindestens einen Gaseinlass, der direkt in den Zwischenraum speist, und mindestens eine Austrittsöffnung beinhaltet, und frei von Einbauten ist.
2. Eine Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit in feine Tropfen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Gaseinlass so angeordnet ist, dass ein Gasströmungsfeld mit einem Drehimpuls erzeugt wird.
3. Eine Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit in feine Tropfen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsröhrchenhalter-Kombination in einer Aufspannung bearbeitet wird.
4. Eine Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit in feine Tropfen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigkeitsröhrchen fest in dem Halteabschnitt gehalten ist.
5. Eine Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit in feine Tropfen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Halteabschnitt des Halters am Austrittsende des Flüssigkeitsröhrchens ausgebildet ist.
6. Eine Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit in feine Tropfen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsröhrchenhalter-Kombination durch eine Drehbearbeitung und Halter und Röhrchen in einem Endbearbeitungsschritt gefertigt werden.
7. Eine Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit in feine Tropfen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung der Kappe durch Innenausdrehen gefertigt wird, um eine verbesserte Rundheit zu erzielen.
8. Eine Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit in feine Tropfen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zudem eine Einrichtung zur Bildung eines elektrischen Feldes beinhaltet.
9. Eine Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit in feine Tropfen bestehend aus: mindestens einem feinen Flüssigkeitsröhrchen mit einer Außenwand, einem Flüssigkeitseintritt und einem Flüssigkeitsaustritt; einem Halter mit mindestens einem Halteabschnitt, durch den sich das Flüssigkeitsröhrchen erstreckt, und einer Einrichtung zur Bildung eines elektrischen Feldes am Flüssigkeitsaustritt zur Zerteilung der Flüssigkeit; dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwand des Flüssigkeitsröhrchens innerhalb des Halteabschnitts fixiert ist, um eine Verschiebung des Flüssigkeitsröhrchens orthogonal zur Achse des Halteabschnitts zu vermeiden und eine Bearbeitung der Flüssigkeitsröhrchenhalter-Kombination zu ermöglichen; und mindestens ein Teil des Flüssigkeitsröhrchens und mindestens ein Teil des Halters bearbeitet werden, um einen Ausrichtungsfehler zwischen der Achse von Flüssigkeitsröhrchen und der Achse von Halter zu kompensieren.
10. Eine Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit in feine Tropfen gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung der Flüssigkeitsröhrchenhalter-Kombination in einer Aufspannung vorgenommen wird.
11. Eine Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit in feine Tropfen gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigkeitsröhrchen im Haltebereich fest fixiert ist.
12. Eine Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit in feine Tropfen gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Austrittsende des Flüssigkeitsröhrchens so bearbeitet wird, dass der Durchmesser des Austrittsendes verringert und geformt wird, um die Zerstäubungsqualität der Vorrichtung zu verbessern.
13. Eine Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit in feine Tropfen gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung der Flüssigkeitsröhrchenhalter-Kombination durch Drehen vorgenommen wird, und Halter und Röhrchen in einem Endbearbeitungsschritt bearbeitet werden.
14. Eine Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit in feine Tropfen gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigkeitsröhrchen zusätzlich durch eine Konusverschraubung mit der elektrischen Einrichtung verbunden ist.
15. Eine Methode zur Bearbeitung einer Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit in feine Tropfen, die ein feines Flüssigkeitsröhrchen mit einer Außenwand, einen Flüssigkeitseintritt und einen Flüssigkeitsaustritt sowie einen Halter mit mindestens einem Haltebereich für das Flüssigkeitsröhrchen umfasst, bestehend aus folgenden Schritten: Verbinden des Flüssigkeitsröhrchens mit dem Halter, so dass die Außenwand des Flüssigkeitsröhrchens im Halter in dem Halteabschnitt fest gehalten ist, um eine Bearbeitung der Röhrchenhalter-Kombination zu ermöglichen; und Bearbeiten der Röhrchenhalter-Kombination, so dass mindestens ein Teil des Flüssigkeitsröhrchens und mindestens ein Teil des Halters bearbeitet werden, um den Ausrichtungsfehler zwischen der Achse des Flüssigkeitsröhrchens und der Achse des Halters zu kompensieren.
Eine Methode zur Bearbeitung einer Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit in feine Tropfen gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der spanabhebenden Bearbeitung der Flüssigkeitsröhrchenhalter-Kombination um eine Drehbearbeitung handelt und dass Halter und Röhrchen in einem Endbearbeitungsschritt gefertigt werden.
Eine Methode zur Bearbeitung einer Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit in feine Tropfen, die ein feines Flüssigkeitsröhrchen mit einer Außenwand, einem Flüssigkeitseintritt und einen Flüssigkeitsaustritt sowie einen Halter mit mindestens einem Haltebereich für das Flüssigkeitsröhrchen umfasst, bestehend aus den folgenden Schritten: Bearbeiten des Haltebereichs des Flüssigkeitsröhrchens durch Innenausdrehen, wobei mindestens ein Teil der Endkontur des Halters in einer Aufspannung gefertigt wird; und Verbinden des Flüssigkeitsröhrchens mit dem Halter, so dass die Außenwand des Flüssigkeitsröhrchens innerhalb des Haltebereichs gesichert ist und das Flüssigkeitsröhrchen an einer vorgegebenen Position in Bezug zum Halter fixiert ist.

Zusammenfassung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zerstäubung bestehend aus einem feinem Flüssigkeitsröhrchen, einem Halter mit dem das Flüssigkeitsröhrchen am Flüssigkeitsaustritt gehalten wird, und optional einer Kappe zum gleichmäßigen und reproduzierbaren Versprühen kleiner Flüssigkeitsmengen. Ferner wird eine Fertigungsmethode zur reproduzierbaren Bearbeitung des Zerstäubungsgeräts der gegenwärtigen Erfindung offenbart.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 6337480 [0005]
- US 5868322 [0005, 0006]
- US 6032876 [0005, 0006]

Claims

Eine Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit in feine Tropfen, bestehend aus: mindestens einem feinen Flüssigkeitsröhrchen mit einer Außenwand, einem Flüssigkeitseintritt und einem Flüssigkeitsaustritt; einer Kappe, die das Flüssigkeitsröhrchen umgibt, weitgehend konzentrisch in Bezug zum Flüssigkeitsröhrchen angeordnet ist sowie eine Austrittsöffnung nahe der Austrittsöffnung des Flüssigkeitsröhrchens aufweist; und einem Halter mit mindestens einem Halteabschnitt, durch den sich das Flüssigkeitsröhrchen erstreckt; dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwand des Flüssigkeitsröhrchens innerhalb des Halteabschnitts fixiert ist, um eine Verschiebung des Flüssigkeitsröhrchens orthogonal zur Achse des Halteabschnitts zu vermeiden und eine Bearbeitung der Flüssigkeitsröhrchenhalter-Kombination zu ermöglichen; mindestens ein Teil des Austrittsendes des Flüssigkeitsröhrchens und der Teil des Halters, der zur Ausrichtung der Kappe in Bezug zur Flüssigkeitsröhrchenhalter-Kombination verwendet wird, bearbeitet werden, um den Ausrichtungsfehler zwischen dem Austrittsende des Flüssigkeitsröhrchens und dem Halters zu kompensieren; und die Kappe mit der besagten Fläche des Halters verbunden ist, um einen Zwischenraum zwischen Flüssigkeitsröhrchenhalter-Kombination und Kappe auszubilden.
Eine Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit in feine Tropfen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Gaseinlass so angeordnet ist, dass ein Gasströmungsfeld mit einem Drehimpuls erzeugt wird.
Eine Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit in feine Tropfen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze des Flüssigkeitsröhrchens und die besagte Fläche des Halters in einer Aufspannung bearbeitet werden.
Eine Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit in feine Tropfen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigkeitsröhrchen fest in dem Halteabschnitt gehalten ist.
Eine Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit in feine Tropfen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Halteabschnitt des Halters am Austrittsende des Flüssigkeitsröhrchens ausgebildet ist.
Eine Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit in feine Tropfen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsröhrchenhalter-Kombination durch eine Drehbearbeitung und Halter und Röhrchen in einem Endbearbeitungsschritt gefertigt werden.
Eine Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit in feine Tropfen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung der Kappe durch Innenausdrehen gefertigt wird, um eine verbesserte Rundheit zu erzielen.
Eine Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit in feine Tropfen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zudem eine Einrichtung zur Bildung eines elektrischen Feldes beinhaltet.
Eine Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit in feine Tropfen bestehend aus: mindestens einem feinen Flüssigkeitsröhrchen mit einer Außenwand, einem Flüssigkeitseintritt und einem Flüssigkeitsaustritt; einem Halter mit mindestens einem Halteabschnitt, durch den sich das Flüssigkeitsröhrchen erstreckt, und einer Einrichtung zur Bildung eines elektrischen Feldes am Flüssigkeitsaustritt zur Zerteilung der Flüssigkeit; dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwand des Flüssigkeitsröhrchens innerhalb des Halteabschnitts fixiert ist, um eine Verschiebung des Flüssigkeitsröhrchens orthogonal zur Achse des Halteabschnitts zu vermeiden und eine Bearbeitung der Flüssigkeitsröhrchenhalter-Kombination zu ermöglichen; und wenigstens der Teil des Flüssigkeitsröhrchens, der sich nahe der Austrittsöffnung befindet, wird mindestens teilweise durch Bearbeitung freigelegt.
Eine Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit in feine Tropfen gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der besagte Teil des Flüssigkeitsröhrchens und mindestens ein Teil des Halters in der gleichen Aufspannung bearbeitet wird.
Eine Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit in feine Tropfen gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigkeitsröhrchen im Haltebereich fest fixiert ist.
Eine Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit in feine Tropfen gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Austrittsende des Flüssigkeitsröhrchens so bearbeitet wird, dass der Durchmesser des Austrittsendes verringert und geformt wird, um die Zerstäubungsqualität der Vorrichtung zu verbessern.
Eine Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit in feine Tropfen gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsröhrchenhalter-Kombination durch Drehen bearbeitet wird, und Halter und Röhrchen in einem Endbearbeitungsschritt bearbeitet werden.
Eine Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit in feine Tropfen gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigkeitsröhrchen zusätzlich durch eine Konusverschraubung mit der elektrischen Einrichtung verbunden ist.
Eine Methode zur Bearbeitung einer Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit in feine Tropfen, die ein feines Flüssigkeitsröhrchen mit einer Außenwand, einen Flüssigkeitseintritt und einen Flüssigkeitsaustritt sowie einen Halter mit mindestens einem Haltebereichs für das Flüssigkeitsröhrchen umfasst, bestehend aus folgenden Schritten: Verbinden des Flüssigkeitsröhrchens mit dem Halter, so dass die Außenwand des Flüssigkeitsröhrchens im Halter in dem Halteabschnitt fest gehalten ist, um eine Bearbeitung der Röhrchenhalter-Kombination zu ermöglichen; und Bearbeiten mindestens eines Teils des Flüssigkeitsröhrchens und mindestens eines Teils des Halters, um den Ausrichtungsfehler zwischen dem Flüssigkeitsröhrchen und dem Halter zu kompensieren.
Eine Methode zur Bearbeitung einer Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit in feine Tropfen gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der spanabhebenden Bearbeitung der Flüssigkeitsröhrchenhalter-Kombination um eine Drehbearbeitung handelt und dass Halter und Röhrchen in einem Endbearbeitungsschritt gefertigt werden.
Eine Methode zur Bearbeitung einer Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit in feine Tropfen, die ein feines Flüssigkeitsröhrchen mit einer Außenwand, einem Flüssigkeitseintritt und einen Flüssigkeitsaustritt sowie einen Halter mit mindestens einem Haltebereich für das Flüssigkeitsröhrchen umfasst, bestehend aus folgenden Schritten: Bearbeiten des Haltebereichs des Flüssigkeitsröhrchens und mindestens einen Teil des Halters in einer Aufspannung; und Verbinden des Flüssigkeitsröhrchens mit dem Halter, so dass die Außenwand des Flüssigkeitsröhrchens innerhalb des Haltebereichs gesichert ist.