DE19831335A1 - Tröpfchenerzeuger für leitfähige Flüssigkeiten - Google Patents

Tröpfchenerzeuger für leitfähige Flüssigkeiten

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Tröpfchenerzeuger für leitfähige Flüssigkeiten, insbesondere einen Tröpfchenerzeuger für Schmelzen von Metallen bzw. metallischer Legierungen.

Description

Mikrotropfenerzeuger für die Erzeugung von einzelnen Tropfen auf Abruf sind aus dem Tintendruck sowie aus der Dosiertechnik von Brennstoffen, Medikamenten, Lacken etc. bekannt. Derartige Tropfenerzeuger weisen elektrothermische (Bubble- Jet), elektrostatische, elektrodynamische oder piezoelektrische Wandler auf, mit denen aufgrund eines elektrischen Ansteuersignals eine Expansion von Dampfblasen in einer Flüssigkeitsgefüllten Kammer bzw. eine Volumenänderung dieser Kammer bewirkt wird und die sich somit zum wiederholten Ausstoß von Tröpfchen eignen. Bekannt ist auch ein Tropfenerzeuger für Mikrotropfen, insbesondere für einen Ink-Jet-Printer (EP 0 713 773 A2), bei dem der Aktor als Paddel innerhalb der flüssigkeitsgefüllten Kammer arbeitet und die Flüssigkeit durch eine oder mehrere Düsen treibt.
Mit diesen bisher verfügbaren Aktorprinzipien ist es nicht oder nur sehr aufwendig möglich, Schmelzen von Metallen zu dosieren. Elektrothermische Tropfenerzeuger können in Metallschmelzen kaum Dampfblasen erzeugen. Die Piezoelektrischen Aktoren haben obere Grenztemperaturen die den Einsatz lediglich bei sehr niedrigschmelzenden Legierungen erlauben.
Zu der thermischen Belastung für den Aktor, kommen noch die Notwendigkeit für eine Membran, die bei hoher thermischer und dynamischer Belastung einen deutlichen Schwachpunkt darstellt. Auch ist der Wirkungsgrad all dieser Prinzipien durch die indirekte Einbringung der Energie in die Flüssigkeit oder Schmelze gering.
In einem völlig anderen Anwendungsbereich als dem hier angestrebten, werden sogenannte magnetohydrodynamische Pumpen zum Fördern leitfähiger Flüssigkeiten eingesetzt. So werden beispielsweise in Stahlwerken die Schmelzen oder in Kraftwerken flüssiges Natrium als Kühlmittel gepumpt. Die dort verwendeten Anordnungen sind jedoch weder zur Tropfenerzeugung gedacht, noch besonders geeignet.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu umgehen und dadurch eine einsetzbare Möglichkeit zur tropfenweisen Dosierung von Metallschmelzen bzw. leitfähiger Flüssigkeiten zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Erfindung mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.
Bei der hier beschriebenen Erfindung wird die Energie direkt in die Flüssigkeit eingekoppelt. Es ist nicht notwendig ein mechanisches Koppelelement vorzusehen. Auf diese Weise wird auch das Problem der Aktorerwärmung gelöst.
Es lassen sich Temperaturbereiche erschließen, die bisher nicht der Dosierung zugänglich waren. So ist es auch möglich sehr hoch schmelzende Stoffe zu dosieren.
Der Wirkungsgrad ist deutlich höher als bei allen anderen Aktorprinzipien.
Aufgrund des niedrigen Innenwiderstandes des Systems und der damit verbundenen niedrigen Spannungen ist die elektrische Ansteuerung deutlich einfacher zu realisieren als bei piezoelektrischen Aktoren. Dies ist für die kommerzielle Verwertung nicht unerheblich, da die elektrische Ansteuerung von Tropfenerzeugern einen deutlichen Anteil am Systempreis hat.
Das System kommt praktisch ohne bewegte Teile aus und ist sehr einfach zu fertigen und die ausgesprochen geringe Komplexität erlaubt damit eine sehr günstige Herstellung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1: Kraftwirkung auf Fluidelement
Fig. 2: Aufbau eines Einzeltropfendosierers
Fig. 3: Anordnung des Magnetfeldes
Fig. 4: Mehrdüsige Anordnung mit gemeinsamen Magnetfeld
Fig. 5: Anordnung mit einer gemeinsamen Elektrode
Befindet sich ein vom elektrischen Strom I (2) durchflossener Leiter (1) in einem Magnetfeld B (3), so wird auf den Leiter eine Kraft F (4) (Lorentzkraft) ausgeübt.
Der gleiche Effekt tritt auch bei einer leitfähigen Flüssigkeit auf. Hierbei entsteht ein gerichteter Druck in der Flüssigkeit, der diese in eine Richtung bewegt. (Fig. 1) Die Kraft F (4) auf ein Volumenelement (1) der Flüssigkeit beträgt
= .l × .
Diese Kraft führt damit zu einem Druck der auf die obere Fläche (5) des Volumenelementes der Flüssigkeit ausgeübt wird.
Hier zeigt sich bereits, daß das Volumenelement (1) möglichst eine möglichst kleine Dicke d haben muß.
Aus dieser Formel ist auch die Möglichkeit der Modulation des Drucks erkennbar. Durch Modulation des Magnetfeldes B, des Stromes I oder beider Größen kann eine zeitliche Änderung des Drucks P erzeugt werden.
Ein einfacher, nach diesem Prinzip arbeitender Tropfenerzeuger ist wie folgt aufgebaut:
Eine flache Kammer (10) ist durch eine strömungsgünstige Verjüngung (7) mit einer Düse (6) verbunden. Die Kammer steht auf der der Düse abgewandten Seite (9) mit einem Vorratsbehälter in Verbindung. An den seitlichen Wänden der Kammer befinden sich Elektroden (8).
Als Elektrodenmaterial sind besonders Metalle geeignet, die nicht mit der zu pumpenden Flüssigkeit, also insbesondere Metallschmelzen, in Legierung gehen. Gut geeignet sind z. B. Wolfram und Molybdän.
Durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden wird ein Stromfluß durch die leitfähige Flüssigkeit hindurch hervorgerufen. Dieser Stromfluß erzeugt durch die Vermittlung des Magnetfeldes einen Druck hinter der Düse.
Durch geeignete Modulation des Stromes oder des Magnetfeldes kann der Druck zeitlich so gesteuert werden, daß es zu einem Tropfenausstoß kommt. Die Flüssigkeit wird dabei direkt aus dem Vorratsbehälter nachgesogen.
Dieser Vorgang kann mit hoher Frequenz wiederholt werden.
Ist das zu pumpende Fluid eine metallische Schmelze, so läßt sich der Leitungstyp als Elektronenleitung bezeichnen. Die Elektroden werden daher nicht verbraucht.
Werden andere leitfähige Flüssigkeiten wie z. B. Salzlösungen eingesetzt, so handelt es sich um Ionenleitung. Bei einem Gleichanteil im Strom würden sich die Elektroden verbrauchen. Dieser Effekt kann durch eine dauernde gleichzeitige Umkehr der Strom- und Magnetfeldrichtung behoben werden. Auf diese Weise lassen sich auch diese Flüssigkeiten problemlos dosieren.
Die Kammer wird von einem Magnetfeld durchflutet. Dieses kann durch einen Permanent- oder einen Elektromagneten erzeugt werden.
In Fig. 3 wird die Anordnung nochmals gezeigt. Das Unterteil (11) und das Oberteil (12) werden verbunden und die Elektroden (8) eingebracht.
Auf diese Weise wird eine geschlossene Kammer geringer Dicke d gebildet.
Weiterhin ist die Anordnung im magnetfelderzeugenden Element gezeigt. Das magnetfelderzeugende Element (13) kann dabei entweder ein Permanentmagnet, ein Elektromagnet oder auch ein supraleitender Elektromagnet sein.
Zur besseren Sichtbarkeit ist in der Zeichnung ein großer Abstand (14) zwischen magnetfelderzeugendem Element und Kammerstruktur. Dieser Spalt kann zur thermischen Entkopplung des magnetfelderzeugenden Elementes von der heißen Kammer dienen. Es ist jedoch auch möglich ohne Spalt zu arbeiten. Dies ist der Fall, wenn das magnetfelderzeugende Element die Verarbeitungstemperatur des Fluids ohne Schaden annehmen kann.
In Fig. 4 ist eine mehrdüsige Anordnung gezeigt. Hier werden mehrere Kammern mit Düsen von einem Magnetfeld durchsetzt. Jede der Kammer wird von einem eigenen Strom I durchflossen.
In Fig. 5 ist ein Schema einer mehrdüsigen Anordnung mit einer gemeinsamen Elektrode (16) gezeigt.
Dabei liegt diese Elektrode auf einem Potential (17). Die zweite Elektrode jeder Kammer ist einzeln ansteuerbar. So daß ein Tropfenaustoß aus beliebigen Düsen selektiert werden kann. Bei diesem Aufbau ist die Struktur (15), in die die Kammern eingearbeitet sind, nichtleitend.
Alle diese Ausführungsformen können mit einer Heizung versehen werden. Diese kann z. B. aus aufgebrachten Heizwiderständen bestehen. Die Heizung kann auch über ein Heizbad oder heiße Luft erfolgen. Die Heizung kann auch über die Schmelze selbst erfolgen, sofern die Wärmeleitfähigkeit ausreichend ist. Dann genügt es, daß Reservoir zu beheizen.

Claims (21)

1. Tropfenerzeuger für Mikrotropfen leitfähiger Substanzen, dadurch gekennzeichnet, daß eine magnetohydrodynamische Pumpe mit mindestens einer Düse zusammenwirkt um Tropfen auszustoßen.
2. Tropfenerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu pumpende Flüssigkeit als stromdurchflossener Leiter benutzt wird, auf den im Magnetfeld eine Kraft F wirkt, die in einem Druck P resultiert.
3. Tropfenerzeuger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als leitende Flüssigkeit Schmelzen von Metallen und Metallgemischen benutzt werden.
4. Tropfenerzeuger nach Anspruch 1-3, wobei der Strom bei konstanter Magnetfeldstärke, die Magnetfeldstärke bei konstantem Strom oder Strom und Magnetfeldstärke gleichzeitig moduliert werden, um einen zeitlichen veränderlichen Druck und damit einen Tropfenausstoß zu erzeugen.
5. Tropfenerzeuger nach einem der Ansprüche 1-4, wobei durch das Zusammenwirken von Oberflächenkräften und einem Vordruck stabilisierend auf den Ort des Meniskus innerhalb der Düse eingewirkt wird.
6. Tropfenerzeuger nach einem der Ansprüche 1-5, wobei durch Umkehrung der Magnetfeldrichtung oder der Stromrichtung ein den Tropfenausstoß verbessernder Rückzug des Meniskus erzeugt wird.
7. Tropfenerzeuger nach Anspruch 1-6, wobei durch einen Gleich­ anteil im Produkt aus Stromstärke und Magnetfeldstärke ein Vordruck eingestellt werden kann.
8. Tropfenerzeuger nach einem der Absprüche 1-7, wobei das Magnetfeld durch einen Permanentmagneten, einen Elektromagneten oder einen supraleitenden Elektromagneten erzeugt wird.
9. Tropfenerzeuger nach einem der Ansprüche 1-8, wobei mehrere Kammern mit einer gemeinsamen Elektroden und einer gruppenweise schaltbaren Elektrode ausgestattet sind.
10. Tropfenerzeuger nach einem der Ansprüche 1-9, wobei die Elektroden aus einem Material bestehen, daß nicht mit der Flüssigkeit in Legierung geht.
11. Tropfenerzeuger nach einem der Ansprüche 1-10, wobei ein Vordruck über einen auf das Reservoir einwirkenden Gasdruck erzeugt wird.
12. Tropfenerzeuger nach einem der Ansprüche 1-11, umfassend einen zweigeteilten Aufbau, wobei wahlweise eine Schicht die Kammer (10), den Zulauf (9), die Düse (6) und die Elektroden (8) enthält, sowie einer zweiten abdeckenden Schicht, wobei die Elemente (6), (8), (9) und (10) auch beliebig auf beide Schichten verteilt sein können.
13. Tropfenerzeuger nach einem der Ansprüche 1-12, wobei eine oder beide Schichten absichtlich nachgiebig, z. B. als Membranen gestaltet werden, um beim Fördern der Flüssigkeit nicht aufgrund der starken Kohäsion, die z. B. bei Metallschmelzen auftritt, einen großen Teil der Flüssigkeit im Vorratsbehälter beim Tropfenausstoß mitbeschleunigen zu müssen.
14. Tropfenerzeuger nach einem der Ansprüche 1-13, wobei vor der Düse ein Fenster angebracht ist, aus dem Flüssigkeit nachströmen kann, um beim Tropfenaustoß nicht die Flüssigkeit vom Vorratsbehälter mitbeschleunigen zu müssen.
15. Tropfenerzeuger nach einem der Ansprüche 1-14, wobei mindestens eine der beiden Schichten aus Silizium, Aluminiumoxid-Keramik oder Kunststoff besteht.
16. Tropfenerzeuger nach einem der Ansprüche 1-15, wobei die beiden Schichten durch Kleben, Anodisches Bonden (Si-Glas), direktes Bonden von Silizium (Si-Si), Schweißen oder Löten miteinander verbunden sind.
17. Tropfenerzeuger nach einem der Ansprüche 1-16, wobei mehr als eine Düse aus der gleichen Kammer oder mehrere Düsen aus mehreren Kammern bedient werden.
18. Tropfenerzeuger nach einem der Ansprüche 1-17, wobei jeder Düse ein eigenes magnetfelderzeugendes Element, oder mehreren oder allen Düsen ein gemeinsames Magnetfeld zugeordnet ist.
19. Tropfenerzeuger nach einem der Ansprüche 1-18, als Bestandteil einer Rapid-Prototyping-Anlage nach USP 5669433, USP 5398193 u. a.
20. Tropfenerzeuger nach einem der Ansprüche 1-18, als Bestandteil einer Anlage zum Kontaktieren von elektronischen Bauelementen.
21. Tropfenerzeuger nach einem der Ansprüche 1-18, als Bestandteil einer Anlage zum Erzeugen von kleinen Metallkugeln.
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