DE2502890A1 - Ultraschall-zerstaeuber fuer kraftbrennstoff-brenneinrichtungen - Google Patents

Ultraschall-zerstaeuber fuer kraftbrennstoff-brenneinrichtungen

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DE2502890A1
DE2502890A1 DE19752502890 DE2502890A DE2502890A1 DE 2502890 A1 DE2502890 A1 DE 2502890A1 DE 19752502890 DE19752502890 DE 19752502890 DE 2502890 A DE2502890 A DE 2502890A DE 2502890 A1 DE2502890 A1 DE 2502890A1
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Description

Harvey L. Berger, Pat 285502890
Ver. Staaten v. Amerika 21. Januar 1975
Ultraschall-Zerstäuber für Kraftbrennstoff-Brennein--
richtungen
Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-Zerstäuber für Kraftbrennstoff mit einem zwischen einem Paar von Resonator-Sektionen eingebetteten Energieumwandler in Form piezoelektrischer Kristalle mit einer zwischen diesen angeordneten Hochspannungselektrode mit einer an der Spitze einer der Resonator-Sektionen angeordneten Zerstäubungsfläche und einer dieser Zerstäubungsfläche Kraftbrennstoff zuspeisenden Zuleitungseinrichtung.
Es sind handelsübliche Kraftbrennstoff-Zerstäubungsvorrichtungen für Brenneinrichtungen bekannt, bei denen der Kraf.tbrennstoff (Brennöl, Kerosin, Benzin usw.) unter hohem Druck durch eine schmale öffnung gepreßt wird, um den Kraftbrennstoffstrom zu Tröpfchen zu zerteilen. Bei Verwendung von Kraftbrennstoff ζerstäubungsdüsen üblicher Bauart ist durchschnittlich der Durchmesser der Tröpfchen bei einem Kraftbrennstoffverbrauch von vier Litern in der Stunde gewöhnlich größer als 125 Mikron. Derartige, mit bekannten handelsüblichen Zerstäubungsvorrichtungen zerstäubte Trppfchen weisen jedoch eine zu kleine gemeinsame Berührungsfläche mit der zuzuführenden Luft auf, um günstige Verbrennungsergebnisse zu ergeben. Bei unter Anwendung von Ultraschallenergie arbeitenden Kraftbrennstoff-Zerstäubungseinrichtungen wird Kraftbrennstoff,bei niedrigem Druck eingespritzt, so daß sich auf einer ebenen Fläche ein Kraftbrennstoff-Filmüberzug bildet, der dann bei 20 KHz übersteigenden Frequenzen in, in Richtung senkrecht zu dieser' Fläche
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schwingende Schwingungen versetzt wird. Durch die äußerst schnelle Bewegung der schwingenden ebenen Fläche werden im flüssigen Film kapilare Wellen erzeugt, übersteigt nun die Amplitude der Wellenscheitel eine für die Stabilität des Systemes erforderliche Größe, so bricht die Flüssigkeit an der Spitze des Wellenscheitels in Form von Tröpfchen auf. Bei einem Kraftbrennstoffverbrauch von ungefähr vier Litern in der Stunde beträgt der Durchmesser der Tröpfchen durchschnittlich etwa 15 Mikroiund ist demnach beträchtlich kleiner als bei Kraftbrennstoff-Zerstäubungsdüsen üblicher Bauart, wobei die Größe der wirksamen gegenseitigen Berührungsoberfläche zwischen Kraftbrennstoff und Luft bei der gleichen gegebenen Menge an Kraftbrennstoff um das Zehnfache vergrößert wird. Da eine Verbrennung lediglich an der Berührungsfläche zwischen Kraftbrennstoff und Luft erfolgt, wird durch eine Vergrößerung der Größe dieser Berührungsfläche die Wirksamkeit des Brenners erheblich gesteigert.
Bisher bekannte Ultraschall-Zerstäuber enthalten einen, zwischen einem Paar von Resonator-Sektionen eingebetteten und akustisch mit diesem gekuppelten Energieumwandler, welcher ein Paar piezoelektrischer Kristalle mit einer zwischen diesen angeordneten und zur elektrischen Erregung dieser Kristalle dienenden und hierbei die Antriebskraft für die Resonator-Sektionen bildenden Hochspannungs-Elektrode aufweist. Durch eine der Resonator-Sektionen erstreckt sich eine für die Zuführung von Kraftbrennstoff zur Spitze derselben, an welcher die Zerstäubung erfolgt, dienende Zuführungsleitung. Eine derartige, durch den Energie~ umwandler erzeugte Schwingungsbewegung reicht jedoch für sich allein nicht aus, um eine ausreichend gute Zerstäubung ohne einer weiteren Verstärkung zu bewirken.
Auch bei bisherig bekannten Anordnungen wurdeam die Resonator-Sektionen unter Verwendung von besonderen schTattbenartigen Ver-
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spannungseinrichtungen miteinander verspannt, wodurch sich jedoch eine ungleichförmige Druckeinwirkung auf die piezoelektrische Scheiben ergab, so daß ein vorzeitiges Brechen der Scheiben, oder, infolge der Schwingurigsbewegungen ein Lösen der Sehraubenverbindungen eintreten konnte und sich infolgedessen eine Wirksamkeitsverminderung ergab. Für die hierbei benutzten besonderen Schraubenarten wurde üblicherweise an der Nähe der Kristalle weiches Material, beispielsweise Blei verwendet, um ungleiche Druckeinwirkungen auszuschalten. Ein derartiges artfremdes Material bewirkte jedoch ein Entarten und Absinken der Wirksamkeit der Arbeitsweise der Vorrichtung.
Es ist auch bei derartigen, bisher bekannten Vorrichtungen nachteilig, daß die Kristalle, durch die besondere Gestaltung der dort verwendeten Schraubverbindungen der Einwirkung von Brennkraftstoff und anderen Verschmutzungen vollkommen offen ausgesetzt waren, wodurch desgleichen eine Verminderung der Wirksamkeit der Arbeitsweise hervorgerufen wurden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzielung einer wirkungsvollen Zerstäubung von Kraftbrennstoff unter Verwendung eines verbesserten Ultraschall-Zerstäubers zu schaffen.
Es ist auch Aufgabe der Erfindung, einen derartigen Zerstäuber zu schaffen, bei dem auf unkomplizierte Weise eine verstärkte wirkungsvollere Zerstäubung des Kraftbrennstoffes ermöglicht und damit eine wirkungsvollere Verbrennung erzielbar ist und ein vorzeitiges Brechen von bei der Schwingungserzeugung besonders stark beanspruchten Teilen sowie ein vorzeitiges Brechen der piezoelektrischen Kristalle durch ungleichmäßige Druckeinwirkung verhindert und eine Verschmutzung derselben während der Arbeit vermieden wird.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine, die Resonator-Sektionen festspannende Verspannungseinrichtung vorgesehen ist und die aktive Resonator-Sektion aus einem, einen großen Durchmesser aufweisenden Segmentteil und aus einem, einen kleinen Durchmesser aufweisenden, die Zerstäubungsfläche begrenzenden Segmentteil besteht und an der Übergangsstelle zwischen diesem eine zur Verstärkung der Schwingungsbewegungen der Zerstäubungsfläche dienende Abstufung gebildet ist.
Es ist vorteilhaft, wenn die, die aktive Resonator-Sektion sowie die Ausgleichs-Resonator-Sektion mit gleichförmig verteilter Andruckskraft gegen den Energieumwandler anpressende Verspannungseinrichtung aus einem, die beiden Resonator-Sektionen zusammen mit dem Energieumwandler umfassenden und stirnseitig annäherungsweise an Knotenflächen gegeneinanderdrückenden zylindrischen Gehäuse sowie einer auf dieses aufschraubbaren Schraubmuffe besteht, innerhalb welcher ein das Gehäuse von den piezoelektrischen Kristallen elektrisch isolierende und den Energieumwandler mit den Resonator-Sektionen entlang einer gemeinsamen Längsachse zentrierende Isolationshülse vorgesehen ist.
Es ist zweckmäßig, wenn die piezoelektrischen Kristalle des Energieumwandlers in Form eines Paares piezoelektrischer Scheiben mit benachbarten parallelen Berührungsflächen gestaltet sind.
Es ist förderlich, wenn die Resonator-Sektionen aus Titan gefertigt sind.
Es ist zweckdienlich, wenn die Verspannungseinrichtung sich einerseits gegen eine Stirnfläche der aktiven und andererseits gegen eine Stirnfläche der Ausgleichs-Resonator-Sektion stützt.
Nach einer besonderen Ausführungsart ist vorgesehen, daß das
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Gehäuse in Bezug zum Material der Resonator-Sektionen aus einem Material mit unterschiedlichen akustischen Eigenschaften besteht.
Es ist vorteilhaft, wenn der Segmentteil mit kleinem Durchmesser der aktiven Resonator-Sektion durch einen, als Zerstäubungsfläche wirksamen Flanschteil begrenzt wird.
Es ist förderlich, wenn zwischen dem Gehäuse und der aktiven Resonator-Sektion eine, den Energieumwandler vor Kraftbrennstoff verunreinigungen bewahrende Dichtungseinrichtung vorgesehen ist.
Es ist förderlich, wenn die elektrische Energiezuspeisung zur jeweils einen der elektrisch leitenden Kontaktflächen jeder der piezoelektrischen Scheiben durch die Hochspannungselektrode und zur jeweils anderen dieser Kontaktflächen der piezoelektrischen Scheiben über das Gehäuse und über die Resonator-Sektionen erfolgt.
Erfindungsgemäß ergibt sich der Vorteil daß dadurch, daß die aktive Resonator-Sektion mit einem, einen großen Durchmesser aufweisenden Segmentteil und mit einem, einen kleinen Durchmesser aufweisenden Segmentteil ausgestattet ist, zwischen diesem an der Übergangsstelle ein, die Schwingungswirkungen verbessernde Absatz gebildet wird. Die an der Spitze erzielbare Verstärkung gleicht annähernd dem Verhältnis der den größeren Durchmesser aufweisenden Querschnittsfläche zur den kleineren Durchmesser aufweisenden Querschnittsfläche.
An der Übergangsstelle, an welcher der Segmentteil mit kleineren1 Durchmesser an den Segmentteil mit größerem Durchmesser angrenzt, bewirkt die rechtwinkelige Flächenabwinkelung sowie die verminderte Querschnittsfläche des Materiales jedoch extrem
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hohe Spannungskonzentrationen, deren Spannungshöhe mit der Betriebsfrequenz steigt, wobei jedoch die hierdurch bedingte Gefahr der Entstehung von Rissen im Material an der Übergangsstelle durch die Verwendung von Titan gebannt ist.
Erfindungsgemäß ergibt sich somit der Vorteil, daß durch die erzielbare verstärkte Zerstäubung eine weit größere gesamte Berührungsfläche zwischen den Oberflächen der einzelnen Tröpfchen an zerstäubtem Kraftbrennstoff und der Luft erzielt und dadurch eine weit wirksamere Verbrennung ermöglich wird.
Auch ist es vorteilhaft, daß durch die erzielbare gleichmäßige Andruckskraft der aktiven Resonator-Sektion sowie der Ausgleichs-Resonator-Sektion an die piezoelektrischen Scheiben eine Gleichmäßigkeit des Schwingungssystems und ein vorzeitiges Brechen der piezoelektrischen Kristalle vermieden wird, wobei auch durch die besondere Gestaltung des Gehäuses und der in diesem angeordneten Isolationshülse und Dichtungseinrichtung der Energieumwandler vor jeglichen Kraftbrennstoffverunreinigungen bewahrt wird.
In der Zeichnung sind vorzugsweise Ausführungsbeispiels des Gegenstandes der Erfindung dargestellt.
Es zeigt:
Fig. 1 den Kraftbrennstoffbrenner mit dem erfindungsgemäßen Ultraschall-Energieumwandler im Längsschnitt;
Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2, gemäß Fig. 1;
Fig. 3 einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Ultraschall-Zerstäuber in vergrößertem Maßstab, teils unter Aufbrechung von Teilen;
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Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie 4-4, gemäß Fig. 3;
Fig. 5 einendie abgesetzte Übergangsstelle und die Zerstäubungsfläche des Ultraschall-Zerstäubers gemäß Fig. 4 darstellenden Querschnitt in vergrößertem Maßstab unter teilweiser Fortlassung von die Ansicht hindernden Teilen;
Fig. 6 eine andere, der in Fig. 5 dargestellten ähnlichen Ausführungsform, mit einer flanschartigen Zerstäubungsfläche.
Aus Fig. 1 ist ein zur Verbrennung von Kraftbrennstoff-öl dienender Brenner 11 zur Beheizung eines Wohnhauses oder eines anderen Gebäudes oder zur Heißwasserbereitung ersichtlich. Bei einem derartigen Brenner 11 wird eine Zerstäubung des Brennöls sowie eine Zündung desselben innerhalb eines steuerbaren Stromes bewirkt.
Der Brenner 11 weist einen Zerstäuber 12, Zündeinrichtungen 13, ein Gebläse, eine Luftstromablenkungseinrichtung 15, einen Brennkegel 16, elektrische Energie zum Zerstäuber 12 zuleitende Leitungen 17, 18 und 19, und einen, das Gebläse 14 antreibenden Motor 33 sowie eine zur Zuführung von Brennöl zum Zerstäuber 12 dienende Pumpeinrichtung auf.
Im wesentlichen ist die gesamte Gestaltung von einem diese stützenden zylindrischen, mit Abschlußdeckel 22 und 23 versehenen Gehäuse 21 umfaßt. Der Zerstäuber 12 ist als Ultraschall-Zerstäuber gestaltet und mit einer, mittels Abstandshaltern 25, Muttern 26 und Bolzen 27 im Abstand am Abschlußdeckel 22 befestigten Haltereinrichtung 24 innerhalb des Gehäuses 21 axial . zu diesem gelagert.
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Die Zündung wird innerhalb des Brenners 11 mittels einer Zündeinrichtung 13 bewirkt, welche zwei, innerhalb des Brennkegels 16 gelagerte, jedoch von diesem elektrisch isolierte Zündelektroden 28 und 29 aufweist.
Mittels eines am Verschlußdeckel 23 befestigten Gebläses 14 wird durch das Gehäuse 21 entlang des Zerstäubers 12 Luft durch den Verschlußdeckel 22 über die Zündelektroden 28 und 29 in den Brennkegel 16 geleitet und dort mit dem Kraftbrennstoff eingehend gemischt.
Bevor die Luft die Spitze des Zerstäubers 12 erreicht, wind sie durch die, eine Vielzahl von Leitflügelsegmenten 30 aufweisenden Luftstromablenkungseinrichtung 15 getrieben, wobei ein Teil der Luft in Wirbelbewegung versetzt wird, bevor er die Zerstäubungsspitze erreicht, um eine eingehende Luft-Kraftbrennstoff-Mischung zu erzielen.
Die Luftablenkungseinrichtung 15 ist am diese tragenden Abschlußdeckel 22 befestigt. Der Brennkegel 16 dient für die Flamme als Führung und formgebende Einrichtung.
Elektrische Energie wird dem Zerstäuber 12, der Zündeinrichtung 13, dem Motor 33 und dem Gebläse 14 über, sich von den Polbolzen 31 und 32 erstreckende elektrische Leitungen 17, 18 und 19 zugeführt. Kraftbrennstoff wird dem Zerstäuber 12 bei niedrigem Druck über eine, ebenfalls von das Gebläse antreibenden Motor 33 angetriebene Pumpeinrichtung 20 zugeführt.
Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, enthält der Zerstäuber 12 folgende Teile: eine aktive zylindrische Resonator-Sektion 41 mit einer Zerstäubungsfläche 42 und eine, sich durch diese erstrekkende Zuführungsleitung 43 für die Zufuhr von Kraftbrennstoff
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zur Zerstäubungsfläche; eine, eine Gegenkraft zur aktiven Resonator-Sektion 41 erzeugende Ausgleichs-Resonator-Sektion 44 mit einem flanschartigen Teil 45; ein®zwischen diesen beiden Resonator-Sektionen angeordneten und die Antriebskraft für die Resonator-Sektionen erzeugenden Energieumwandler 46, der aus einem Paar piezoelektrischer Scheiben 47, 48 und einer zwischen diesen gelagerten Hochspannungselektrode 49 besteht; eine Verspannungseinrichtung 5O, bestehend aus einem mit Innengewinde versehenen elektrisch "leitenden zylindrischen Gehäuse 51, einer Gegendruckunterlagsscheibe 52 und einer, die Resonator-Sektionen und den Energieumwandler verschließenden und die Resonator-Sektionen zur Gewährleistung einer guten akustischen Verbindung und zur Verminderung von Verlusten an akustischer Energie bis auf ein Minimum in gegen den Energieumwandler gedrücktem Zustand haltenden Spannmuffe 53. Der Zerstäuber weist auch eine, die Resonator-Sektionen 41 und 44 sowie den Energieumwandler umfassende Isolationshülse 54 auf, welche diese vom Gehäuse 51 im Abstand hält und den Energieumwandler elektrisch isoliert, sowie, am Gehäuse 51 angeordnete, für die Zuleitung von elektrischer Energie vom Polbolzen 31 zum Energieumformer dienende Einrichtung und eine am Gehäuse 51 angeordnete Einrichtung zur Zuführung von Kraftbrennstoff zur Zuführungsleitung 43 innerhalb der aktiven Resonator-Sektion 41, sowie eine zwischen dem Gehäuse 51 und der aktiven Resonator-Sektion 41 angeordnete Dichtungseinrichtung 57 zum Schütze der inneren Teile des Zerstäubers 12, insbesondere des Energieaustauschers 46 vor Verunreinigungen.
Die aktive Resonator-Sektion 41 enthält ein, einen größeren Durchmesser aufweisendes zylindrisches Segment 61 und ein, einen kleineren Durchmesser aufweisendes zylindrisches Segment 62, zwischen denen im Bereich des Überganges eine Abstufung 6 3 gebildet wird.
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Der zu zerstäubende Kraftbrennstoff wird durch eine im rechten Winkel verlaufende Zuführungsleitung eingespeist, die an ihrer Mündungsöffnung 64 durch die Zerstäubungsfläche begrenzt wird. Die Querschnittsfläche der rechtwinkeligen Zuführungsleitung 43 sowie die Mündungsöffnung 44 müssen groß genug sein, um ein ungehindertes Durchfließen bei geringem Druck bei normaler Kraftbrennstoffverbrauchsmenge zu gewährleisten.
Die vom Energieumwandler 46 bewirkte Schwingungsbewegung würde jedoch für sich allein unzureichend sein, um eine Zerstäubung ohne einer zusätzlichen Verstärkung der Schwingungsbewegungen zu bewirken.
Eine derartige Verstärkung wird durch die Gestaltung der Abstufung 63 am übergang zwischen dem, einen großen Durchmesser aufweisenden Segment 61 und dem, einen kleinen Durchmesser aufweisenden Segment 62 ermöglicht, wobei die Größe der Verstärkung annähernd dem Verhältnis der dem größeren Durchmesser bzw. dem kleineren Durchmesser entsprechenden Querschnittsflächen zueinander entspricht, wobei die Schwingungsamplitude an der Zerstäubungsfläche 42 ihr Maximum aufweist. Gemäß einem vorzugsweisen Ausführungsbeispiel gleicht die Länge des Segmentes 62 mit kleinerem Durchmesser einer Viertel Längenwelle.
Bei geometrischer Darstellung von Resonanzhohlräumen längs verlaufender Druckwellen ergeben sich, entlang der baulichen Anordnung gelegene Knotenpunkte, deren Lage der Stellung des Auftretens von maximalen Spannungen und minimalen Spannungen entspricht. Diese Knotenpunkte werden derart bestimmt, daß sie mit der Lage der Abstufung 63 des Überganges zwischen dem Segment 62 mit kleinem Durchmesser und dem Segment 61 mit großen Durchmesser, mit der Lage des Zentrums des Energieumwandlers 46 und mit der Lage des flanschartigen Teiles 45 der Ausgleichs-Resonator-
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Sektion 44 zusammenfallen. Durch Ungenauigkeiten in der analytischen Berechnung treten selbstverständlich in Wirklichkeit Abweichungen der Lage der Knotenpunkte und ihrer theoretischen Stellung auf, jedoch ist darin kein Grund zu sehen, von einer derartigen Bestimmung abzusehen.
Am als Knotenpunkt wirksamen übergang zwischen dem Segment 62 mit kleinem Durchmesser und dem Segment 61 mit großem Durchmesser bewirkt die rechtwinkelige Abbiegung sowie der verminderte Materialquerschnitt extrem große Spannungskonzentrationen. Daher ist bei der Fertigung eine sorgsame Bearbeitung dieses Überganges erforderlich, um Bearbeitungsungenauigkeiten oder andere Mangel zu vermeiden, die zu einer vorzeitigen Zerstörung führen könnten. Da die Größe der Spannung mit der Höhe der Arbeitsfrequenz ansteigt, neigen für Arbeitsbedingungen bei 100 KHz berechnete Zerstäuber dazu, an dieser Übergangsstelle zubrechen, sofern sie aus einem üblichen Material wie Aluminium gefertigt sind.
Als Material für die Resonator-Sektionen ist Titan gewählt, weil dieses die erforderliche Festigkeit aufweist um den auftretenden Spannungen zu widerstehen. Titan weist zusätzlich die erwünschte Eigenschaft auf, daß es eine mit dem Energieumformer vergleichbare akustische Impedanz aufweist, so daß die Übertragung der Schwingungsbewegung vom Energieumwandler zu den Resonator-Sektionen wirkungsvoll erfolgen kann.
Die Zerstäubungseinrichtung enthält desweiteren eine Ausgleichs-Resonator-Sektion 44, welche dazu dient, eine wirksame Gegenkraft zur aktiven oder zerstäubenden Resonator-Sektion 41 zu erzeugen. Gemäß einem typischen Ausführungsbeispiel beträgt die gesamte Länge der Ausgleichs-Resonator-Sektion 44 eineinhalb Wellenlängen, wobei sie einen flanschartigen Teil 45 aufweist, welcher in einem Abstand vom freien Ende angeordnet ist, welcher einer Wellenlänge gleicht. ■
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Der Energieumformer 46 enthält ein Paar piezoelektrischer Scheiben 47 und 48 sowie eine zwischen diesen angeordnete Hochspannungselektrode 49, welche durch dieser zugespeiste Hochspannung erregt wird. Mehrkristalliges piezoelektrisches Material, wie Blei, Zirkon und Titan kann hierfür verwendet werden. Die piezoelektrischen Scheiben 47 und 48 sind so orientiert, daß die mit der Hochspannungselektrode 49 in Berührung stehenden und dieser zugekehrten Kristalle die gleiche Polarität aufweisen. Die, für die Zuspeisung von Energie zu den leiterfplattierten zugekehrten Flächen der piezoelektrischen Scheiben dienende Hochspannungselektrode 49 weist einen aus Titan gefertigten Vorsprung auf, dessen Verwendung durch akustische Verträglichkeitserfordernisse mit den anderen Elementen des Zerstäubers bedingt ist.
Es ist eine neuartige Verspannungseinrichtung 50 vorgesehen, welche aus einem elektrisch leitenden zylindrischen Gehäuse 51 besteht, sowie einer Gegendruckunterlagsscheibe 52, einer zum Einschließen der Resonator-Sektionen und des Energieumformers 46 und zum Halten der Resonator-Sektionen in gegen den Energieumformer gedrücktem Zustand dienende Schraubmuffe 53, um einen gleichförmigen Andruck und eine gute akustische Verbindung zu gewährleisten. Der ringförmige Teil 65 des Gehäuses 51 weist einen sich ins Innere erstreckenden ringförmigen Flanschteil 66 auf, welcher sich dichtend gegen die Abstufung 63 der aktiven Resonator-Sektion 41 stützt. An gegenüberliegendem Ende ist das Gehäuse 51 bei 67 mit Innengewinde versehen.
Eine aus phenolhaltigem Gummi oder anderem geeigneten Material bestehende Isolationshülse 54 umfaßt die Resonator-Sektionen 41 und 44 sowie den Energieumformer 46, wobei diese vom Gehäuse im Abstand gehalten und der Energieumformer 46 vom Gehäuse 41 elektrisch isoliert wird und wobei diese Isolationshülse gleichzeitig als Zentrierungseinrichtung für die verschiedenen den
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Zerstäuber bildenden Elemente entlang einer gemeinsamen Achse dient.
Am Gehäuse 51 ist eine elektrischen Strom der Titan-Hochspannungselektrode 49 zuführende elektrische Verbindungseinrichtung 55 angeordnet. Über eine von der Pumpeinrichtung 20 kommende Rohrleitung wird Kraftbrennstoff der innerhalb der aktiven Resonator-Sektion 41 gelegenen Zuführungsleitung 43 über eine im Gehäuse 51 leckfrei angeordnete Einführungsmuffe 6 8 eingespeist.
Eine aus geeignetem Material darunter einschließlich Metall bestehende ringförmige Dichtungseinrichtung 57 ist zwischen der Abstufung 63 und dem ringförmigen Teil 65 angeordnet, um einen Eintritt von Kraftbrennstoff ins Innere zu verhindern.
Die Verspannungseinrichtung erfüllt somit vier Funktionen: Sie bildet eine Einrichtung zwischen dem Energieumformer 46 und den Resonator-Sektionen 41, 44, die erforderliche Spannung aufrechtzuerhalten, um eine gute akustische Kupplung zu gewährleisten und eventuelle Energieverluste auf ein Minimum zu reduzieren. Desweiteren wird ungefähr zwischen zwei Knotenpunkten eine Druckkraft angelegt, wobei die Abstufung 63 in der aktiven Resonator-Sektion 41 und der flanschartige Teil 45 der Ausgleichs-Resonator-Sektion 44 durch das Gehäuse 51 im Zusammenwirken mit der Schraubmuffe 53 und der Gegendruckunterlagsscheibe 52 derart aneinandergepreßt wird, daß der Energieumformer 46 und die Resonator-Sektionen 41 und 44 gegeneinander gedrückt werden. Das verspannende Gehäuse 51 dient auch als gemeinsamer elektrischer Weg zwischen den zwei Resonator-Sektionen 41 und 44,welcher bei der Anordnung erforderlich wird, da beide lesonator-Sektionen bei gleichem elektrischen Potantial arbeiten. Desweiteren dient das Gehäuse 51 dazu, um einen absoluten Schutz für den Energieumformer 46 vor Brennstoffverunreinigungen oder anderen, gegebenenfalls zu diesem gelangende Verunreinigungen zu bieten.
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Da die Verklammerung zwischen zwei Knotenpunkten erfolgt, wird in das Gehäuse 51 nur wenig Vibrationsbewegung eingeführt, so daß akustische Energieverluste bei einem Minimum gehalten werden können. Typischerweise wird das Gehäuse aus einem Material gefertigt, welches im Vergleich mit dem Material der Resonator-Sektionen unterschiedliche akustische Eigenschaften aufweist, um ein Minimum an Energieübertragung von den Resonator-Sektionen auf das Gehäuse zu gewährleisten. Rostfreier Stahl ist beispielsweise ein vorzugsweise verwendbares Material.
Während der Arbeit wird zum Umlauf von Luft ein Gebläse 14 betätigt. Kraftbrennstoff wird mit geringem Druck von der Pumpeinrichtung 20 über die dichte leckfreie Einführungsmuffe 68, die Zuführungsleitung 43 und die Mündungsöffnung 64 der Zerstäubungsfläche 42 zugeführt.
Hochfrequente elektrische Energie wird der Hochspannungselektrode 49 zugespeist, um den Energieumformer 46 zu betätigen. Der Energieumformer 46 erzeugt die Antriebskraft für die Resonator-Sektionen 41 und 44, derart, daß das Brennöl an der Zerstäubungsfläche 42 von dieser in Form von Tröpfchen aufbricht.
Der Durchmesser der durchschnittlichen Brennkraftstofftröpfchen ändert sich umgekehrt zur Antriebsfrequenz zu zwei Drittel der Kraft. Je größer daher die Ultraschallantriebsfrequenz ist, desto kleiner werden die Tröpfchen und desto größer wird die Wirksamkeit der Verbrennung, wobei die zur Verfügung stehende Berührungsfläche zwischen Luft und Brennkraftstoff annähernd im umgekehrten Verhältnis zum Durchmesser der Tröpfchen ansteigt. Bevorzugt wird ein Betrieb bei einer Frequenz im Bereich zwischen 80 und 100 KHz, da bei diesem Frequenzbereich die Größe der Tröpfchen für die Verbrennung optimal ist. Die Frequenz wird durch die Länge des einen großen Durchmesser aufweisenden
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Segmentes bestimmt, da diese ein Vielfaches des eineinhalbfachen einer Wellenlänge der zur gewählten Frequenz entsprechenden akustischen Welle sein muß. Bei einem typischen Ausführungsbeispiel beträgt die Länge des,einen großen Durchmesser aufweisenden Segmentes eineinhalb Wellenlängen.
Anmeldungsgemäß ergeben sich auch noch andere Vorteile. Bei früher bekannten Vorrichtungen wurden die Resonator-Sektionen mit dem Energieumformer durch Verwendung von besonderen Klemmschrauben miteinander verklammert, wodurch sich jedoch eine nicht gleichförmige Zusammenpressung der piezoelektrischen Scheiben ergab, wodurch vorzeitiges Brechen der piezoelektrischen Scheiben möglich war, und wobei durch ein durch die Vibrationsbewegung erfolgtes Lösen der Schrauben Wirkungsverluste der Vorrichtung eintraten. Solche besonderen Schraubenarten erfordern üblicherweise die Verwendung eines weichen Materiales beispielsweise von Blei in der Nähe der Kristalle, um eine ungleichmäßige Zusammenpressung zu verhindern. Dieses "fremdartige" Material bewirkte jedoch eine Verminderung der Wirkungsfähigkeit.
Desweiteren ergab sich bei den früher verwendeten'Schraubanordnungen der Nachteil, daß die Kristalle dem Zutritt von Brennöl oder anderen Verunreinigungen vollkommen ausgesetzt waren, so daß die Wirkungsweise beeinträchtigt wurde.
Mit der erfindungsgemäßen Verklammerungseinrichtung wird eine gleichmäßige Zusammenpressung der Kristalle gewährleistet und auch ein vollkommener Schutz vor Brennkraftstoffverunreinigungen oder sonstigen Verschmutzungen der Kristalle gewährleistet.
Die Zerstäubungsfläche 42 (Fig. 5) kann für eine erwünschte Brennkraftstoffzuführungsmenge vorgesehen sein. Für die Zerstäubung kleinerer Zuführungsmengen kann eine Zerstäubungsfläche
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verwendet werden. Eine ausreichende Zerstäubungsfläche, welche der Zerstäubungsoberfläche 42 abzüglich der Mündungsöffnungsfläche gleicht ist für eine Zerstäubung zur Verfügung.
Bei größerer Brennkraftstoffmenge ist die Verwendung eines auf der Spitze des Segmentes 62 mit kleinerem Durchmesser angeordneten dünnen Flansches 42A erforderlich.
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Claims (9)

  1. Harvey L. Berger, Pat 285
    Ver. Staaten v. Amerika /N 21. Januar 1975
    Patentansprüche
    '1 ...< Ultraschall-Zerstäuber für Kraftbrennstoff mit einem zwischen ^" einem Paar von Resonator-Sektionen eingebetteten Energieumwandler in Form piezoelektrischer Kristalle mit einer zwischen diesen angeordneten Hochspannungselektrode, mit einer an der Spitze einer der Resonator-Sektionen angeordneten Zerstäubungsfläche und einer dieser Zerstäubungsfläche Kraftbrennstoff zuspeisenden Zuleitungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß eine, die Resonator-Sektionen (41, 44) festspannende Verspannungseinrichtung (50) vorgesehen ist und die aktive Resonator-Sektion (41) aus einem, einen grossen Durchmesser aufweisenden Segmentteil (61) und aus einem, einen kleinen Durchmesser aufweisenden, mit Zerstäubungsfläche begrenzenden Segmentteil (62) besteht und an der Übergangsstelle zwischen diesem, eine zur Verstärkung der Schwingungsbewegungen der Zerstäubungsfläche dienende Abstufung (63) gebildet ist.
  2. 2. Ultraschall-Zerstäuber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die, der aktive Resonator-Sektion (41) sowie die Ausgleichs-Resonator-Sektion (44) mit gleichförmig verteilter Andruckskraft gegen den Energieumwandler (46) anpressende Verspannungseinrichtung (50) aus einem, die beiden Resonator-Sektionen (41, 44) zusammen mit dem Energieumwandler (46) umfassenden und stirnseitig annäherungsweise an Knotenpunkten gegeneinander drückenden zylindrischen Gehäuse (51) sowie
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    einer auf dieses aufschraubbaren Schraubmuffe (50) besteht, innerhalb welcher eine das Gehäuse (51) von den piezoelektrischen Kristallen (47, 48) elektrisch isolierende und den Energieumwandler (46) mit den Resonator-Sektionen (41, 44), entlang einer gemeinsamen Längsachse zentrierende Isolationshülse (54) vorgesehen ist.
  3. 3. Ultraschall-Zerstäuber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Kristalle des Energieumwandlers (46) in Form eines Paares piezoelektrischer Scheiben (47, 48) mit benachbarten parallelen Berührungsflächen gestaltet sind.
  4. 4. Ultraschall-Zerstäuber nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonator-Sektionen (41, 44) aus Titan gefertigt sind.
  5. 5. Ultraschallzerstäuber nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verspannungseinrichtung (50) sich einerseits gegen eine Stirnfläche der aktiven (41) und andererseits gegen eine Stirnfläche der Ausgleichs-Resonator-Sektion (44) stützt.
  6. 6. Ultraschallzerstäuber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (51) in Bezug zum Material der Resonator-Sektionen (41, 44) aus einem Material mit unterschiedlichen akustischen Eigenschaften besteht.
  7. 7. Ultraschall-Zerstäuber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Segmentteil (61) mit kleinem Durctaiesser der aktiven Resonator-Sektion (41) durch
    einen, eis Zerstäubungsfläche wirksamen Flanschteil begrenzt wird.
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  8. 8. Ultraschall-Zerstäuber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Gehäuse (51) und der aktiven Resonator-Sektion (41) eine, den Energieumwandler (46) vor Kraftbrennstoffverunreinigung bewahrende Dichtungseinrichtung (57) vorgesehen ist.
  9. 9. Ultraschall-Zerstäuber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Energiezuspeisung zur jeweils einen, der elektrisch leitenden Kontaktflächen jeder der piezoelektrischen Scheiben (47, 48) durch die Hochspannungselektrode (49) und zur jeweils anderen dieser Kontaktflächen der piezoelektrischen Scheiben (47, 48) über das Gehäuse (51) und über die Resonator-Sektionen (41, 44) erfolgt.
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