-
Zerstäuber für Flammenphotometer oder Atomabsorptionsspektrometer
-
Die Erfindung betrifft einen Zerstäuber zum Zerstäuben von Probenflüssigkeiten
in einen Brenngasstrom zu einem Brenner bei einem Flammenphotometer oder Atomabsorptionsspektrometer.
-
Bei einem Atomabsorptionsspektrometer durchsetzt ein Meßstrahlenbündel
eine auf einem Brenner brennende Flamme. In dem Brenner wird ein Brenngas, beispielsweise
Acetylen, mit Luft gemischt.
-
In dieses Brenngas-Luft-Gemisch wird eine Probenflüssigkeit mittels
eines Zerstäubers in Form eines Nebels eingesprüht.
-
Dabei kommt es darauf an, einen möglichst feinen Nebel zu erzeugen,
der in dem Brenngas-Luft-Gemisch gleichmäßig verteilt wird. Je feiner die Verteilung
der Probenflüssigkeit in dem Brenngas-Luft-Gemisch ist, desto schneller wird die
Probenflüssigkeit in der Flamme atomisiert, so daß die Bestandteile der Probenflüssigkeit
einer Atomabsorptionsmessung zugänglich werden, und desto geringer wird der Anteil
der Probenflüssigkeit, der sich an der Mischkammerwandung, an Prallplatten oder
dergl.
niederschlagen und für die Messung verlorengehen kann.
-
Zur Erzeugung eines starken Atomabsorptionssignals aus einer vorgegebenen
Flüssigkeitsmenge ist daher eine möglichst feine Verteilung der Probenflüssigkeit
durch den Zerstäuber wünschenswert (DT-Gbm. 72 34 447).
-
Die gleichen Verhältnisse gelten für Brenner bei Flammenphotometern,
bei denen die von der Flamme emittierte Strahlung gemessen wird.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zerstäuber für Flammenphotometer
oder Atomabsorptionsspektrometer zu schaffen, der eine sehr feine Verteilung der
Probenflüssigkeit gestattet.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Probenflüssigkeit
in einen um eine Umlaufachse rotierenden Hohlkörper einleitbar ist, der eine sich
schräg zu der Umlaufachse nach außen erstreckende und in eine Abrißkante auslaufende
Innenfläche aufweist.
-
Bei hoher Drehzahl des Hohlkörpers wirkt auf die eingeleitete Probenflüssigkeit
eine starke Zentrifugalbeschleunigung.
-
Dadurch wird ein sehr dünner Flüssigkeitsfilm auf der Innenfläche
gebildet, der zu der Abrißkante strömt und dort in einen sehr feinen Flüssigkeitsnebel
übergeht.
-
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Die Erfindung ist nachstehend an einigen Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert:
Fig.
1 zeigt einen Längsschnitt durch einen nach der Erfindung ausgebildeten Zerstäuber.
-
Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt eines Hohlkörpers
bei der Ausführung nach Figur 1.
-
Fig. 3 zeigt einen Schnitt längs der Linie III-III von Figur 2.
-
Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, des in einem
Gehäusemantel sitzenden und den Hohlkörper in der Mitte umgebenden Mittelteils des
Gehäuses.
-
Fig. 5 zeigt einen Schnitt längs der Linie V-V von Figur 4.
-
Fig. 6 zeigt eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines in dem
Gehäusemantel sitzenden Luftlagerteils.
-
Fig. 7 zeigt einen Längs schnitt durch eine andere Ausführungsform
eines nach der Erfindung ausgebildeten Zerstäubers Fig. 8 zeigt einen Schnitt längs
der Linie VIII-VIII von Figur 7.
-
Fig. 9 zeigt einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform
eines nach der Erfindung ausgebildeten Zerstäubers.
-
Fig.1O zeigt einen Längsschnitt durch eine vierte Ausführungsform
eines nach der Erfindung ausgebildeten Zerstäubers.
-
Figur 1 bis 6 zeigen einen Zerstäuber, bei welchem die Innenflächen,
auf der sich die Probenflüssigkeit unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft in einem
dünnen Film nach außen bewegt, konisch ist. Der Hohlkörper ist dabei über Luftlager
in einem Gehäuse gelagert und durch eine druckgasbetriebene Turbine mit einer Drehzahl
von mehr als 200 ooo Umdrehungen pro Minute antreibbar.
-
Durch strömungsleitende Mittel wird ein Gasstrom in im wesentlichen
axiale Richtung um den rotierenden Hohlkörper und die Abrißkante herumgeführt. Durch
diesen Gasstrom werden die von der Abrißkante unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft
weggeschleuderten Probenflüssigkeitstropfen mitgerissen.
-
Im einzelnen weist das Gehäuse 10 einen zylindrischen Gehäusemantel
12 auf, der aus einem im wesentlichen hohlzylindrischen Teil 14 und einem damit
verschraubten Deckelteil 16 besteht.
-
Der hohlzylindrische Teil 14 weist auf der dem Deckelteil abgewandten
Seite einen nach innen vorstehenden Rand 18 auf, der eine Austrittsöffnung 20 an
der Stirnseite des Gehäuses 10 umschließt. Der Deckelteil 16 an der entgegengesetzten
Seite des Gehäusemantels ist mit einer Mehrzahl von Durchbrüchen 22 versehen.
-
In der zylindrischen Bohrung des Gehäusemantels 12 ist ein Mittelteil
24 von hohlzylindrischer Grundform und beiderseits desselben daran angrenzend je
ein ringförmiger tuftlagerteil 26 bzw. 28 angeordnet. Der Mittelteil, der in Figur
4 und 5 einzeln dargestellt ist, ist mit zwei im Abstand voneinander angeordneten
Rändern 30, 32 in der zylindrischen Bohrung des Gehäusemantels 12 geführt und bildet
zwischen diesen Rändern 30, 32 eine Umfangsnut 34. In diese Umfangsnut mündet ein
im Gehäusemantel 12 vorgesehener Druckgasanschluß 36. Von der Umfangsnut 34 gehen,
wie in Figur 5 am besten erkennbar ist, Druckgaskanäle 38 aus, die im wesentlichen
tangential zu der Mantelfläche 40 eines in dem Gehäuse gelagerten rotierenden
Hohlkörpers
42 (Fig. 2) verlaufen. In den Rändern, die zylindrische Außenflächen haben, sind
vier um jeweils 900 gegeneinander versetzte Axialnuten 44 vorgesehen.
-
Die ringförmigen Luftlagerteile 26, 28, von denen in Fig. 6 eines
im Schnitt allein dargestellt ist, weisen jeweils eine zylindrische Mantelfläche
46 und eine konische Innenfläche 48 auf. In der Mantelfläche 46 der Luftlagerteile
26, 28 sind Axialnuten 50. Von den Axialnuten 50 gehen drosselende radiale Bohrungen
52, 54 aus, die auf den konischen Innenflächen 48 münden.
-
Die Luftlagerteile 26 und 28, die übereinstimmend ausgebildet sind,
sind so in den Gehäusemantel 12 eingesetzt, daß die konischen Innenflächen 48 der
beiden Luftlagerteile einander zugewandt sind.
-
Der Hohlkörper 42 ist auf seiner zylindrischen Mantelfläche 40, die
in ihren axialen Abmessungen denen des Mittelteils 24 entspricht, turbinenartig
ausgebildet, indem die Mantelfläche 40 längs ihres Umfanges mit einer Vielzahl von
halbmondförmigen, axial sich erstreckenden Vertiefungen 56 versehen. An beiden Enden
beiderseits der turbinenartigen Mantelfläche 40 weist der Hohlkörper 42 konische,
sich zu den Enden hin verjüngende Luftlagerflächen 58, 60 auf, die unter Bildung
eines Luftspaltes in den entsprechenden konischen Innenflächen des Gehäuses 10,
d.h. der konischen Innenflächen 48 der Luftlagerteile 26, 28 sitzen. In diesen Innenflächen
48 münden in regelmäßiger Anordnung die drosselnden Bohrungen 52, 54, die über die
Axialnuten 50 und 44 mit der Umfangsnut 34 und über den Druckgasanschluß 36 mit
einer Druckgasquelle in Verbindung stehen, so daß der Hohlkörper 42 mittels eines
Luftlagers in dem Gehäuse 10 axial und radial gelagert ist.
-
Der Hohlkörper 42 weist ein Paar von konischen, sich zu den beiden
Enden hin trichterförmig erweiternden Innenflächen 62, 64 und eine die beiden Innenflächen
verbindende Axialbohrung 66 auf. Zwischen der konischen Luftlagerfläche 60 und der
konischen Innenfläche 64 wird eine Abreißkante 68 gebildet.
-
In der Mantelfläche 40 des Hohlkörpers 42 sind Radialbohrungen 70
vorgesehen, welche in der Axialbohrung 66 münden. Ein Probenzufuhrrohr 72 (Fig.
1) zur Zufuhr von Probenflüssigkeit ragt axial in den Hohlkörper 42 hinein und endet
in der Axialbohrung 66, so daß Probenflüssigkeit durch die Saugwirkung des über
die Radialbohrungen 70 und die Axialbohrung 66 am Ende des Probenzufuhrrohres 72
vorbeiströmenden Druckgases über das Probenzufuhrrohr 72 angesaugt wird.
-
Der Mittelteil 24 und die Luftlagerteile 26 und 28 sind fest zwischen
dem vorstehenden Rand 18 und dem Deckelteil 16 im Gehäusemantel 12 gehalten.
-
Die beschriebene Anordnung wirkt wie folgt: Durch das Druckgas, welches
über den Druckgasanschluß 36 eingeleitet wird, erfolgt über die Axialnuten 44 und
50 und die drosselnden radialen Bohrungen 52, 54 eine Luftlagerung des Hohlkörpers
42 in dem Gehäuse 10. Wenn der Hohlkörper 42 sich radial aus seiner Mittelstellung
herausbewegen will, so wird der Luftspalt zwischen den Luftlagerflächen 58, 60 des
Hohlkörpers 42 und den konischen Innenflächen 48 der Luftlagerteile 26 und 28 auf
der einen Seite enger und auf der anderen Seite weiter, so daß auf der einen Seite
ein Druckanstieg und auf der anderen Seite ein Druckabfall eintritt. Die resultierende
Kraft stellt den Hohlkörper 42 radial in seine Mittelstellung zurück. In ähnlicher
Weise erfolgt eine Verengung des Luftspaltes, wenn der Hohlkörper 42 sich axial
aus seiner Mittelstellung herausbewegen will. Durch das Druckgas, welches über den
Druckgasanschluß 36, die Umfangsnut 34 und die Druckgaskanäle 38 gegen die turbinenartigen
Vertiefungen 56 des Hohlkörpers 42
strömt, wird der Hohlkörper
42 mit hoher Drehzahl von beispielsweise 200 ooo Umdrehungen pro Minute angetrieben.
Es strömt weiterhin Druckgas durch die radiale Bohrung 70 und die Axialbohrung 66
zum in Fig. 1 rechten Ende des Hohlkörpers. Wie schon erwähnt, wird dabei eine Saugwirkung
auf die Probenflüssigkeit ausgeübt, die über die Probenzufuhrleitung 72 zugeführt
wird. Diese Probenflüssigkeit bildet unter dem Einfluß der hohen Zentrifugalkraft
einen dünnen Film auf der Innenfläche 64, der nach außen gerissen wird und an der
Abreißkante 68 in einen feinen Nebel übergeht. Die Zentrifugalbeschleunigung beträgt
bei einer Drehzahl von 200 ooo Umdrehungen pro Minute bei einem Abstand von der
Umlauf achse von 2,5 mm ungefähr 105 g, also das 105~fach der Erdbeschleunigung.
Der an der Abrißkante 68 abgerissene Flüssigkeitsnebel wird von dem Druckgasstrom,
der durch den Luftspalt zwischen der Luftlagerfläche 60 und der konischen Innenfläche
48 des Luftlagerteils 26 strömt, im wesentlichen in axialer Richtung mitgerissen.
-
Es hat sich gezeigt, daß mit einem solchen Zerstäuber eine extrem
feine Zerstäubung einer Probenflüssigkeit erzielbar ist, wodurch eine wesentliche
Verbesserung eines mit einer Flamme arbeitenden Atomabsorptionsspektrometers erreicht
werden kann.
-
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 7 und 8 dargestellt.
Bei dieser Ausführungsform weist der Hohlkörper 74 einen Mittelteil 76 von zylindrischer
Grundform auf, an denen sich auf beiden Seiten schwach konische Achsteile 78, 80
anschließen. Der Mittelteil 76 sitzt mit seiner Mantelfläche 82 unter Bildung eines
engen Luftspaltes in der zylindrischen Innenfläche 84 einer Kammer 86, die in einem
Gehäuse 88 gebildet wird. Die Achsteile 78 und 80 des Hohlkörpers 74 ragen in gerade,
zentrale Axialbohrungen 90, 92 hinein, die in den Stirnwänden der Kammer 86 vorgesehen
sind und mit der Außenseite des Gehäuses 88 in Verbindung stehen. Die Axialbohrung
92 mündet dabei direkt in der äußeren Stirnfläche 94
des Gehäuses
88, während die Axialbohrung 90 mit der Außenseite des Gehäuses über einen Kranz
von Durchbrüchen 96 in Verbindung steht. In der Innenfläche 84 der Kammer 86 münden
in zwei axial gegeneinander versetzten Ebenen und in jeder der Ebenen wiederum in
regelmäßiger Anordnung gegeneinander versetzt drosselnde Bohrungen 97,98, die mit
einem Druckgasanschluß in Verbindung stehen.
-
An den Stirnseiten der Achsteile 78, 80 sind trichterförmig zu den
Enden hin sich erweiternde Vertiefungen 100, 102 vorgesehen, die durch eine zentrale
Axialbohrung 104 miteinander verbunden sind. An dem Mittelteil 76 des Hohlkörpers
74 ist eine Umfangsnut 106 vorgesehen, von welcher radiale Bohrungen 108 ausgehen,
die in der Axialbohrung 104 münden. Ein Probenzufuhrrohr 110 ragt zentral in den
Hohlkörper 76 hinein und endet in der Axialbohrung 104.
-
Der Mittelteil 76 des Hohlkörpers 74 weist in der Mantelfläche beiderseits
der Umfangsnut 106 und auf dem Grunde derselben eine Mehrzahl von turbinenartigen,
halbmondförmigen, axial sich erstreckenden Vertiefungen 112 auf. In dem Gehäuse
88 ist im Bereich der Umfangsnut 106 eine zentrale Ringkammer 114 gebildet, von
welcher tangentiale Druckgaskanäle 116 ausgehen.
-
Im Gehäuse 88 ist weiterhin beiderseits der zentralen Ringkammer 114
je eine Luftlager-Ringkammer 117, 118 gebildet, die über (nicht dargestellte) drosselnde
Axialkanäle mit der zentralen Ringkammer 114 in Verbindung stehen und von denen
die drosselnden radialen Bohrungen 97,98 ausgehen, die in der Innenfläche 84 der
Kammer 86 münden.
-
Das Gehäuse 88 besteht aus einem topfförmigen äußeren Gehäuseteil
120 mit einem zylindrischen Innenraum und einer zentralen Axialbohrung 90 zur Aufnahme
des Achsteils 78 in der Stirnwandung und einem inneren ebenfalls topf förmigen Gehäuseteil
122, dessen Außendurchmesser dem Innendurchmesser des äußeren Gehäuseteils 120 entspricht
und der mit seinem offenen
Ende in den äußeren Gehäuseteil 120
eingeführt und mit diesem mittels einer Verschraubung 124 verschraubt ist. Die zentrale
Ringkammer 114 und die Luftlager-Ringkammern 117, 118 werden durch Umfangsnuten
auf der Mantelfläche des inneren Gehäuseteils 122 gebildet.
-
Die Wirkungsweise der beschriebenen Anordnung ist wie folgt: Uber
einen Druckgasanschluß 126 wird Druckgas auf die zentrale Ringkammer 114 gegeben.
Über die Axialkanäle strömt Druckgas in die Luftlager-Ringkammern 117, 118 und durch
die drosselnden radialen Bohrungen 97 und 98. Diesen Bohrungen gegenüber liegen
die glatt zylindrischen Umfangsflächen des Mittelteils 76, wobei zwischen der Innenfläche
84 der Kammer 86 und der Umfangsfläche des Mittelteils 76 ein Luftspalt gebildet
ist.
-
Durch das zuströmende Druckgas wird der Hohlkörper 74 in radialer
Richtung zentriert. Eine Zentrierung in axialer Richtung erfolgt durch die schwach
konischen Achsteile 78 und 80. Das in die Kammer 86 beiderseits des Mittelteils
abströmende Druckgas tritt durch die Axialbohrungen 90 und 92 aus, wobei der Druckgasaustritt
durch die schwach konischen Achsteile 78 und 80 gedrosselt wird. Wenn sich der Hohlkörper
74 z.B. nach rechts in Fig. 8 bewegt, dann wird dort der Austrittsspalt zwischen
der Innenwandung der Axialbohrung 92 und der konischen Außenfläche des Achsteils
80 stärker gedrosselt, und infolgedessen baut sich in der Kammer 86 vor der rechten
Stirnseite des Mittelteils 74 ein erhöhter Druck auf, der den Hohlkörper 74 wieder
in seine Mittellage zurückführt.
-
Durch das durch die Druckgaskanäle 116 tangential gegen die turbinenartigen
Vertiefungen 112 strömende Druckgas wird der Hohlkörper 74 wieder mit hoher Drehzahl
angetrieben. Probenflüssigkeit wird über das Probenzufuhrrohr 110 zugeführt und,
wie schon im Zusammenhang mit Fig 1 beschrieben, von dem über die Kanäle 108 und
die Axialbohrung 104 strömenden Druckgas nach Art einer umgekehrten Wasserstrahlpumpe
angesaugt Die Flüssigkeit bildet auf der konischen Innenfläche der Vertiefung
102
unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft einen dünnen Film, der nach außen gerissen
wird und an einer Abrißkante 126 in feinen Tröpfchen abgerissen wird. Diese feinen
Tröpfchen werden von dem Druckgasstrom mitgerissen, der durch den Ringspalt zwischen
dem Achsteil 80 und der Innenwandung der Axialbohrung 92 hindurchtritt.
-
Bei der Ausführungsform nach Fig. 9 besteht der Hohlkörper 128 aus
einer Hülse 130, die sich an einem Ende trichterförmig erweitert, wobei die Innenfläche
132 der trichterförmigen Erweiterung 134 in der Abrißkante 136 ausläuft. Der Hohlkörper
128 ist in einer Führungshülse 138 über Kugellager 140, 142 drehbar gelagert. Die
Führungshülse 138 bildet mit dem Außenrand der trichterförmigen Erweiterung 134
einen engen Ringspalt. Auf der Hülse 130 sitzt zwischen den Kugellagern 140, 142
ein Turbinenrad 144. Die Führungshülse 138 weist Druckgaskanäle 146 auf, die im
wesentlichen tangential zu dem Turbinenrad 144 verlaufen und mit einem Druckgasanschluß
148 in Verbindung stehen. Ein Probenzufuhrrohr 150 ragt zentral und axial in die
Hülse auf dem der Erweiterung 134 abgewandten Ende hinein.
-
Die trichterförmige Erweiterung 134 des Hohlkörpers 128 weist längs
ihres Randes eine im wesentlichen zylindrische Mantelfläche 152 auf, und die Führungshülse
138 besitzt im Bereich der Erweiterung 134 eine schwach konisch zum Ende hin einwärts
geneigte Innenfläche 154. Zwischen den Flächen 152 und 154 wird dadurch ein düsenartiger,
sich verengender Ringspalt gebildet.
-
Die Führungshülse 138 ist in einem topf förmigen Gehäuse 156 gehaltert
und durch dieses an einem Ende abgeschlossen. Das topfförmige Gehäuse 156 bildet
um die Führungshülse 138 herum eine Ringkammer 158, welche mit dem Druckgasanschluß
148 verbunden ist und von welcher die in der Führungshülse 138 vorgesehenen Druckgaskanäle
146 ausgehen. In dem Turbinenrad 144 und der Hülse 130 des Hohlkörpers sind fluchtende
Bohrungen 160, 162 vorgesehen, durch welche Druckgas um das Probenzufuhrrohr 150
herum in die Längsbohrung der Hülse 130 tritt.
-
Bei der Ausführungsform nach Fig. 10 weist der Hohlkörper 164 eine
längs der Umlaufachse verlaufenden, an einem Ende geschlossene Axialbohrung 166
sowie eine Mehrzahl von davon an dem geschlossenen Ende ausgehenden, schräg nach
auswärts verlaufenden Kanälen 168 auf, wobei die in eine Abrißkante 170 auslaufende
Innenfläche von den radial äußeren Teilen der Innenwandungen der Kanäle 168 gebildet
wird. Ein Probenzufuhrrohr 172 ragt axial und zentral in der Axialbohrung 166 hinein.
-
Der Hohlkörper ist über Luftlager in einem Gehäuse 174 gelagert und
durch eine druckgasgetriebene Turbine 176 antreibbar. Die Anordnung ist ähnlich
wie bei der Ausführung nach Fig. 1 und daher nicht mehr im einzelnen beschrieben.
Druckgas von einem Druckgasanschluß 178 wird über radiale Bohrungen 180 in die Axialbohrung
166 geleitet und bewirkt ein Ansaugen von Probenflüssigkeit über das Probenzufuhrrohr.
-
Statt die Probenflüssigkeit durch eine "Wasserstrahlpumpenwirkung"
anzusaugen, kann sie auch unter Druck in das Probenzufuhrrohr gefördert werden.
-
Leerseite