DE2165725A1 - PIEZOELECTRIC VIBRATION SYSTEM FOR LIQUID ATOMIZATION - Google Patents

PIEZOELECTRIC VIBRATION SYSTEM FOR LIQUID ATOMIZATION

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Description

Piezoelektrisones Schwingsystem für Flüssigkeitszerstäubung Zusatz zum Patent . ... ... (Patentanmeldung P 20 32 433.8) Die Erfindung bezieht sich auf ein piezoelektrisches Schwingsystem, das für Blüssigkeitszerstaubung geeignet ist.Piezoelectrisones oscillating system for liquid atomization add-on for a patent. ... ... (patent application P 20 32 433.8) The invention relates on a piezoelectric oscillating system that is suitable for atomizing liquids is.

In dem Hauptpatent . . ... (Patentanmeldung P 20 32 433.8 vom 30.6.1970) ist ein piezoelektrisches Schwingsystem mit Amplitudentranforenation beschrieben, das mit einer elektrischen Wechselspannung in Resonanz zu erregen ist, und das einen zu Biegeschwingungen anzuregendenKoppelschwinger aus einer vorzugsweise mstalliscben Platte mit daran befestigtem Wandler aus piezoelektrischem Material sowie eine zu Biege schwingungen anzuregende weitere Platte, die durch einen mechanischen Kopplungssteg mit geringerem Querschnitt mit dem Eoppel--schwinger mechanisch gekoppelt ist, aufweist. Eoppelschwinger und weitere Platte sind bezüglich ihrer Biegeresonanz aufeinander abgestimmt.-Vorzugsweise sind bei dem Schwingsystem nach dem obengenannten älteren Patent der Koppelschwinger und der Kopplungssteg miteinander zusammengefaßt als Kegelstumpf ausgebildet.In the main patent. . ... (patent application P 20 32 433.8 dated June 30, 1970) a piezoelectric oscillating system with amplitude transformation is described, which is to be excited in resonance with an electrical alternating voltage, and one thing Coupling oscillator to be excited to flexural oscillations from a preferably mstalliscben Plate with attached transducer made of piezoelectric material and a to Bending vibrations to be excited another plate, which is through a mechanical coupling web is mechanically coupled with the Eoppel oscillator with a smaller cross section. Eoppelschwinger and further plate are with respect to their bending resonance to each other matched.-Preferably, in the case of the vibration system according to the above-mentioned older Patent of the coupling oscillator and the coupling web combined as Truncated cone formed.

Dabei sind die vorzugsweise metallische Platte des Eoppelscbwingers und der Kopplungssteg insbesondere als einstückiger Körper ausgebildet. Die als Wandler vorgesehene piezoelektrische Keramik des Koppelschwingers ist vorzugsweise durch Ankleben befestigt und ist insbesondere in Richtung der Dicke des im wesentlichen plattenförmigen Keramikkörpers elektrisch polarisiert.In this case, the preferably metallic plate of the double swinger and the coupling web is designed in particular as a one-piece body. As Transducer provided piezoelectric ceramic of the coupling oscillator is preferred attached by gluing and is in particular in the direction of the thickness of the substantially plate-shaped ceramic body electrically polarized.

Das Schwingsystem nach dem obengenannten älteren Patent wird mit hochfrequenter elektrischer Spannung angeregt, deren Frequenz im allgemeinen in der Größenordnung um 100 kHz beträgt. Als besonders vorteilhaft hat sich die elektrische Anregung des Schwingsystems mit Rechteckwechselspannung gemäß dem älteren Patent (-anmeldung) P 21 29 664.0 vom 15.6.1971 erwiesen, da durch diese Maßnahme eine besonders hohe Leistungsumsetzung und hohe Schwingungsamplitude erreicht werden konnte. Für die Flüssigkeitszerstautungergab sich durch diese Maßnahme eine Steigerung der Zerstäubungsleistung.The oscillating system according to the earlier patent mentioned above is with High-frequency electrical voltage excited, the frequency of which is generally in of the order of 100 kHz. The electrical one has proven to be particularly advantageous Excitation of the oscillation system with square wave alternating voltage according to the older patent (-registration) P 21 29 664.0 of June 15, 1971, as this measure resulted in a particularly high power conversion and high oscillation amplitude can be achieved could. This measure resulted in an increase in the liquid damming the atomization performance.

Gemäß dem voranstehend genannten Patent oder gemäß dem Patent (-anmeldung) P 21 29 718.7 vom 15.6.1971 amrde vorgeschlagen, die zur Schwingungsanregung erforderliche elektrische Wechselspannung durch Rückkopplung gesteuert zur erzeugen. Hierzu wurde dort vorgeschlagen, auf einer.According to the aforementioned patent or according to the patent (application) P 21 29 718.7 of June 15, 1971 amrde proposed the necessary for vibration excitation to generate electrical alternating voltage controlled by feedback. This was done suggested there on one.

der Oberflächen des piezoelektrischen Wandlers eine weitere Elektrode als Rückkopplungselektrode anzuordnen. Durch eine dort beschriebene entsprechende elektronirhe Schaltung wurde die Erzeugung einer auf die Schwingungsfrequenz des Schwingsystems stets abgestimmten Wechselspannung erreicht.another electrode on the surface of the piezoelectric transducer to be arranged as a feedback electrode. By a corresponding one described there electronic circuit was the generation of a on the oscillation frequency of the Oscillating system always attains coordinated alternating voltage.

Einzelheiten über die Verwendung eines in den obengenannten Patenten beschriebenen Schwingsystems als Flüssigkeitszerstäube sind in dem Patent (-anmeldung) P 21 29 665.1 vom 15.6.1971 beschrieben. Mittels einer Pumpe und einer entsprechend geformten und gerichteten Zuführungsleitung wird der zur Zerstäubung dienenden weiteren Platte des Schwingsystems Flüssigkeit zugeführt. Bei dem speziellen AusfUhrungsbeispiel gemäß dem vorgenannten Patent ist dort die Flüssigkeitszufuhr auf das Zentrum der genannten weiteren Platte gerichtet.Details of the use of one in the above patents described oscillation system as liquid atomizer are in the patent (application) P 21 29 665.1 of June 15, 1971. By means of a pump and a corresponding one shaped and directed feed line becomes the further one used for atomization Fluid supplied to the plate of the oscillating system. In the special exemplary embodiment according to the aforementioned patent there is the fluid supply to the center of the mentioned further plate directed.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine weitere Verbesserung und/oder weitere Steigerung der Leistung beziehungsweise Wirksamkeit, von Schwingsystemen nach den obigen älteren Patenten anzugeben bzw. Vereinfachungen und Erleichterungen-für den Betrieb derartiger Schwingsysteme zu bewirken.It is an object of the present invention to further improve and / or further increase in performance respectively Effectiveness, of oscillating systems according to the above older patents or simplifications and to make things easier for the operation of such oscillating systems.

Diese Aufgabe wird bei einem wie im Hauptpatent angegebenen Schwingsystem erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die weitere Platte im wesentlichen elliptische Plattenform hat. Vorzugsweise ist die Bandmittenfrequenz der Resonanzbandbreite dieser weiteren Platte auf die Biegeresonanzfrequenz des Koppelschwingers abgestimmt.This task is performed with an oscillating system as specified in the main patent solved according to the invention in that the further plate is essentially elliptical Has plate shape. The band center frequency is preferably the resonance bandwidth this further plate is matched to the flexural resonance frequency of the coupling oscillator.

Insbesondere sind Koppelschwinger und Kopplungssteg miteinander zusammengefaßt als Kegel stumpf ausgebildet.In particular, the coupling oscillator and coupling web are combined with one another designed as a truncated cone.

Für das Achsenverhältnis von Haupt- und Nebenachse haben sich Werte >1 und L ; : Q,9 als vorteilhaft erwiesen.There are values for the axis ratio of the major and minor axes > 1 and L; : Q, 9 proved advantageous.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird das erfindungsgemäße Schwingsystem mit einer gewobbelten, d.h. in ihrem Frequenzwert gesteuert schwankenden WechselspSnnung angeregt, wobei die momentanen Erequenzwerte dieser Wechselspannung im wesentlichen im Bereich der Bandbreite des erfindungsgemäßen Schwingsystems liegen.According to a preferred development of the invention, the inventive Oscillating system with a swept, i.e. fluctuating in its frequency value in a controlled manner Alternating voltage stimulated, with the instantaneous frequency values of this alternating voltage are essentially in the range of the bandwidth of the oscillating system according to the invention.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind anhand der Figuren und der Figurenbeschreibung näher erläutert.Further details of the invention are based on the figures and Description of the figures explained in more detail.

Figur 1 zeigt eine Seitenansicht einer ersten Ausführungs-'form eines erfindungsgemäßen Schwingsystems.FIG. 1 shows a side view of a first embodiment of a oscillation system according to the invention.

Figur 2 zeigt eine Seitenansicht einer anderen bevorzugten Ausführungsform.Figure 2 shows a side view of another preferred embodiment.

-Figur 3 zeigt eine Aufsicht der Ausführungsform nach Figur 1 bzw. nach Figur 2, und zwar gesehen auf die weitere Platte.-Figur 3 shows a plan view of the embodiment according to FIG. according to Figure 2, specifically seen on the further plate.

Figur 4 zeigt den prinzipiellen Verlauf der Resonanzkurve, aufgetragen über der Frequenz f.FIG. 4 shows the basic course of the resonance curve, plotted over frequency f.

Die piezokeramische Platte des Wandlers 1 und die mit dem Wandler fest verbundene, insbesondere verklebte Platte 2 bilden zusammen den Koppelschwinger. Die erfindungsgemäS im wesentlichen elliptisch geformte weitere Platte 104 ist über den Kopplungssteg 3 mit dem Kcppelschwingermechanisch fest verbunden. Auf der Platte des Wandlers 1 befindet sich eine Elektrodenbelegung 21. Die Zufuhrung der elektrischen Anregungsspannung erfolgt über die Leitungen 11, die vorzugsweise an Schwingungsknoten bzw. Schwingungsknotenlinier..The piezoceramic plate of the transducer 1 and the one with the transducer firmly connected, in particular glued plate 2 together form the coupling oscillator. The substantially elliptically shaped further plate 104 according to the invention is over the coupling web 3 with the Kcppelschwingermechanically firmly connected. On the plate of the transducer 1 is an electrode assignment 21. The supply of the electrical Excitation voltage takes place via lines 11, which are preferably at vibration nodes or oscillation node line ..

des Koppelschwingers an der Platte 2 bzw. an der Elektrodc 21 angeschlossen sind. Im Betrieb werden die Biegeschwingungen des Koppelschwingers auf die weitere Platte 104 unter Amplitudenvergrößerung übertragen.of the coupling oscillator is connected to the plate 2 or to the electrode 21 are. During operation, the flexural vibrations of the coupling vibrator are transferred to the other Transfer plate 104 with amplitude enlargement.

Figur 2 zeigt eine Auführungsform bei der die Platte 2 und der Kopplungssteg 3 zu einem Kegel stumpf5 zusammengefaßt sind. Im Betrieb werden die piezoelektrisch erregten Biegeschwingungen des Kegelstumpfes 5 auf die weitere Platte 104 übertragen. Mit 21 und 11 sind die Elektroden und Anschlußleitungen Wie beim Ausführungsbeispiel in Figur 1 bezeichnet.Figure 2 shows an embodiment in which the plate 2 and the coupling web 3 are combined to form a truncated cone5. In operation, they are piezoelectric transferred bending vibrations of the truncated cone 5 to the further plate 104. With 21 and 11 the electrodes and connecting lines are as in the embodiment designated in Figure 1.

Aus Figur 3 ist die elliptische Form des erfindungsgemäßen Schwingsystems zu entnehmen. Figur 3 zeigt die Aufsicht auf ein Schwingsystem nach Figur 2. Bei einem Schwingsystem nach Figur 1 wäre in Figur 3 anstelle des Bezugszeichens 5 sinngemäß das Bezugszeichen 2 zu setzen. Es sei darauf hing'ewiesen, daß anstelle einer exakten Ellipsenformauch eine dieser Formgebung angenäherte Form im Rahmen der Erfindung verwendbar ist. Es ist wesentlich, daß diese Form in vorzugsweise senkrecht zueinander liegenden Richtungen verschiedene Abmessungen hat, dieim wesentlichen der oben angegebenen Exzentritzität entspricht.FIG. 3 shows the elliptical shape of the oscillating system according to the invention refer to. Figure 3 shows the plan view of an oscillating system according to Figure 2. In an oscillating system according to FIG. 1 would be analogous in FIG. 3 instead of the reference number 5 to set the reference number 2. It should be pointed out that instead of an exact Elliptical shape also a shape approximating this shape within the scope of the invention is usable. It is essential that this shape be preferably perpendicular to one another lying directions has different dimensions substantially those given above Corresponds to eccentricity.

Aus Figur 4 ist der Verlauf der Resonanzfrequenz als Kurve über der Frequenz aufgetragen. Während ein Schwingsystem mit einer kreisrunden weiteren Platte eine Bandbreite von etwa 1 ffi besitzt, weist ein Schwingsystem mit nach der Erfindung im wesentlichen elliptischem Querschnitt eine Bandbreite von etwa 10 % auf. Mit dem erfindungsgemäßen Schwingsystem läßt sich eine bessere Leistungsausnutzung und/oder eine wirkungsvollere Zerstäubung erreichen. Unter anderem ist auch in diesem Zusammenhang von Vorteil, daß weniger hohe Anforderungen an die Frequenzstabilität der elektronischen Schaltung, die zur Erzeugung der anregenden Wechselspannung vorgesehen ist, zu stellen sind. Die größere Bandbreite hat in de Praxis auch in soweit Vorteile, daß selbst bei räumlich und/oder zeitlich stark unterschiedlicher Flüssigkeitsbelegung der Oberfläche der Platte 104 kein wesentlicher Rückgang oder Abbrechen der Zerstäubung auftritt, da sich die durch die Belegung verursachte Verlagerung der Resonanzfrequenz regelmäßig noch innerhalb dieser größeren Bandbreite hält.From Figure 4, the course of the resonance frequency is as a curve over the Frequency plotted. While an oscillating system with another circular plate has a bandwidth of about 1 ffi, has an oscillating system according to the invention essentially elliptical cross-section a bandwidth of about 10%. With the oscillation system according to the invention can be a better power utilization and / or achieve more effective atomization. Among other things is also in this context advantage that less stringent requirements on the frequency stability of the electronic Circuit that is provided for generating the exciting alternating voltage to provide are. In practice, the larger bandwidth also has advantages to the extent that even with spatially and / or temporally very different liquid occupancy of the Surface of the plate 104 does not significantly reduce or break off the sputtering occurs because the shift in the resonance frequency caused by the occupancy regularly still within this larger range.

Von ganz besonderem Vorteil ist es, ein Schwingsystem nach der vorliegenden Erfindung mit einer steuerbar schwankenden Frequenz der Anregungsspannung, d.h. mit gewobbelter Wechselspannung zu betreiben. Als Ursache für das verbesserte Zerstäubungsergebnis macht sich hier der Umstand bemerkbar, daß sich, entsprechend der ständig veränderten Anregungsfrequenz, laufend die Orte maximaler Schwingungsamplitude auf der Platte 104 ändern. Dies führt dazu, daß momentan auf der Oberfläche, insbesondere an Orten geringer Schwingungsamplitude, sich ansammelnde größere Flüssigkeitsmengen dann sofort verteilen bzw. zerstäubt werden, wenn am Ort einer derartigen Flüssigkeitsansammlung durch das Wobbeln zeitweise eine große Schwingungsamplitude auftritt. Bei Anwendung gewobbelter Anregungsspannung, deren Frequenzen im Bereich der in Figur 4 angegebenen Resonanzkurve liegen, ergibt sich eine starke und außerordentlich gleichmäßige Zerstäubung auf weitgehend der gesamten Oberfläche der zur Zerstäubung von Flüssigkeit vorgesehenen weiteren Platte 104. In Figur 2 ist mit 111 die Quelle für die gewobbelte Wechselspannung bezeichnet.It is particularly advantageous to use an oscillating system according to the present invention Invention with a controllably fluctuating frequency of the excitation voltage, i. to operate with swept alternating voltage. As the reason for the improved atomization result here the fact becomes noticeable that, according to the constantly changing Excitation frequency, continuously the locations of maximum oscillation amplitude on the plate 104 change. This leads to instantaneous on the surface, especially in places low oscillation amplitude, then larger amounts of liquid accumulate disperse or atomize immediately when at the site of such fluid build-up Due to the wobbling, a large oscillation amplitude occurs at times. When applied swept excitation voltage, the frequencies of which are in the range of those indicated in FIG Resonance curve lying, results in a strong and extraordinary uniform atomization on largely the entire surface of the atomization of liquid provided further plate 104. In FIG. 2, 111 is the source for the swept alternating voltage.

Vorteilhafterweise wird mit der Netzfrequenz von 50 bzw.Advantageously, with a network frequency of 50 resp.

60 Hz gewobbelt.60 Hz wobbled.

Mit einer leicht aufgerauhten, zerstäubenden Oberlläche der zur Zerstäubung vorgesehenen Platte, hier der Platte 104, konnte eine Steigerung der Wirksamkeit der Zerstäubung erzielt werden. Günstige Aufrauhgrade lagen je nach Viskosität der zu zerstäubenden Flüssigkeitbei 1 bis 50 lum, vorzugsweise um 10 bis 20 /um, iefe und Breite der die Aufrauhung bildenden Tiefen und/oder Erhöhungen.With a slightly roughened, atomizing surface for atomization provided plate, here the plate 104, could increase the effectiveness the atomization can be achieved. Favorable degrees of roughening were depending on the viscosity liquid to be atomized at 1 to 50 µm, preferably around 10 to 20 µm, depth and width of the depths and / or elevations forming the roughening.

Die Aufrauhung ist auch für die als Zerstäuber vorgesehenen Schwingsysteme nach den obengenannten älteren Anmeldungen im beschriebenen Sinne von Bedeutung.The roughening is also for the vibration systems provided as atomizers according to the above-mentioned older registrations in the sense described above.

6 Patentansprüche 4 Figuren6 claims 4 figures

Claims (6)

P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Mit einer elektrischen Wechselspannung in Resonanz zu erregendes piezoelektrisches Schwingsystem mit Amplitudentransformation mit einem zu Biegeschwingungen anzuregenden Koppelschwinger aus einer Platte (2) mit-daran befestigtem Wandler (1) sowie mit einer zu Biegeschwingungen anzuregenden weiteren Platte, die durch einenmechanisonen Kopplungssteg (3) mit geringerem Querschnitt mit dem Koppelschwinger mechanisch gekoppelt ist, wobei Koppelschwinger und weitere Platte bezüglich ihrer Biegeresonanz aufeinander abgestimmt sind, nach Hauptpatent (-anmeldung) P 20 32 433.8, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die weitere Platte (104) im wesentlichen elliptische Plattenform hat. P a t e n t a n s p r ü c h e 1. With an electrical alternating voltage Piezoelectric oscillating system to be excited in resonance with amplitude transformation with a coupling oscillator made of a plate (2) to be excited to flexural vibrations with-attached transducer (1) and with a to be excited to flexural vibrations Another plate, which is supported by a mechanical coupling web (3) with a smaller cross-section is mechanically coupled to the coupling oscillator, with coupling oscillators and others Plate are matched to one another in terms of their flexural resonance, according to the main patent (-registration) P 20 32 433.8, thereby g e k e n n -z e i c h n e t that the further Plate (104) has a substantially elliptical plate shape. 2. Schwingsystem nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h ne t , daß der Koppelschwingerund der Kopplungssteg miteinander zusammengefaßt als Kegel stumpf (5) ausgebildet sind.2. Oscillating system according to claim 1, characterized in that g e k e n n -z e i c h ne t that the coupling oscillator and the coupling web are summarized as Truncated cones (5) are formed. 3. Schwingsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Achsenverhältnis von Haupt- und Nebenachse der im iresentllchen elliptischen Form der weiteren Platten 1 und g 1 : 0,9 beträgt.3. Oscillating system according to claim 1 or 2, characterized in that g e -k e n n z e i c h n e t that the axis ratio of the major and minor axes is in the iresentllchen elliptical shape of the further plates 1 and g is 1: 0.9. 4. Schwingsystem nach Ansprüchen 1, 2 oder ), dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die zerstäubende Oberfläche der weiteren Platte (104) aufgerauht ist.4. Oscillating system according to claims 1, 2 or), thereby g e k e n n shows that the atomizing surface of the further plate (104) is roughened is. 5. Betrieb eines Schwingsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß als anregende Wechselspannung eine in ihrer Frequenz steuerbar veränderte (gewobbelte) Spannung ange- -schlossen wird, deren Frequenzen im wesentlichen im Bereich der Resonanzbandbreite (Fig. 4) liegen.5. Operation of a vibration system according to one of claims 1 to 4, as a result, it is not shown that the exciting alternating voltage is one in their Frequency controllably changed (swept) voltage is connected, whose Frequencies are essentially in the range of the resonance bandwidth (Fig. 4). 6. Betrieb nacbAnspruch 5, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t ,daß mit der Netzfrequenz gewobbelt wird.6. Operation according to claim 5, thereby g e k e n n -z e i c h n e t that is swept with the mains frequency.
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