DE3112340C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zerstäubung von Flüssigkeiten, bestehend im wesentlichen aus einem Ultra­ schallanregungssystem und einem mit Ultraschallfrequenzen schwingenden Biegeresonator, der über eine Flüssigkeitszufuhr­ einrichtung mit Flüssigkeit versorgt wird.

Bei konventionellen Ultraschallkapillarwellenzerstäubern erfolgt die Vernebelung durch Tropfenabschnürung aus einem stehenden Kapillarwellen­ gitter mit schachbrettartig angeordneten Knotenlinien, das sich auf einem dünnen, von einer schwingenden Festkörperfläche angeregten Flüssigkeitsfilm an der flüssig-/gasförmigen Phasengrenze ausbildet. Die Zerstäubung erfordert eine von der Frequenz und verschiedenen Flüssigkeitsparametern abhängige Anregungsamplitude der schwingenden Festkörper und einer ge­ eigneten Dicke des Flüssigkeitsfilms. Bei zu dünnem Film können sich keine Tröpfchen bilden, bei zu dickem Film werden durch Dämpfung in der Flüssigkeit keine effektiven Kapillar­ wellen angeregt.

Ferner ist eine Vorrichtung der eingangs aufgeführten Art be­ kannt (Drews, Dr. W. D.: "Flüssigkeitszerstäubung durch Ultra­ schall", in ELEKTRONIK 79, Heft 10, Seite 83-86), die zur Zer­ stäubung von Flüssigkeiten geeignet ist und die aus einer bei 100 kHz schwingenden plattenförmigen, kreisrunden Biegere­ sanotorplatte besteht, die von einem Anregungssystem betrie­ ben wird. Das Anregungssystem sowie der Biegeresonator sind mittig mit einer Bohrung versehen, über die die Flüssigkeit der Biegeresonatorplatte zugeführt wird. Die Schwingungsan­ ordnung erfolgt in Axialrichtung, wobei der Schwingungs­ knoten im Bereich des Kragen-Flansches F liegt. Die Schwingungsknotenlinien der kreisrunden Biegeresonatorplatte laufen konzentrisch zur Bohrung, so daß im Bereich der Bohrung des Biegeresonators ein Schnellebauch auftritt und somit die zugeführte Flüssigkeit beim Auftreffen auf die die Oberfläche des Biegeresonators am stärksten der Resonanzschwingung aus­ gesetzt ist, so daß an dieser Stelle Schwingungskavitation auftritt und somit Blasenbildung in der zugeführten Flüssig­ keit. Diese Schwingungskavitation der Flüssigkeit führt dann zu einer ungleichförmigen Zerstäubung der Flüssigkeit und somit zu einem spratzigen Zerstäubungsbild auf einer zu be­ stäubenden Oberfläche. Darüber hinaus haben kreisförmige Bie­ geresonatoren, da sie eben ausgebildet und somit sehr klein sind, einen relativ kleinen Öffnungswinkel, so daß sie nur be­ schränkt einsatzfähig sind. Werden derartige Zerstäubungsein­ richtungen beispielsweise bei Ölbrennern verwendet, so erfolgt eine sehr schlechte Sauerstoffzuführung, da auf relativ klei­ ner Fläche eine zu starke Zerstäubung auftritt. Derartige Flächen lassen sich darüber hinaus auch nicht beliebig ver­ größern, da sonst mehrere konzentrische Knotenkreise ent­ stehen, die verhindern, daß die Flüssigkeitszufuhr aus dem Zentrum zum Rande des Biegeresonators erfolgt.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gleichmäßige Zerstäubung einer möglichst großen Flüssigkeitsmenge pro Zeiteinheit auf einer Fläche zu ermöglichen, ohne daß dabei die Leistung des Anregungssystems gesteigert wird. Die Flüssig­ keitszuführung soll dabei kavitationsfrei erfolgen. Diese Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 aufgeführte Merkmale gelöst. Durch die vorteilhafte Aus­ bildung des länglich schmalen Streifen des Biegeresonators entstehen mehrere parallel verlaufende Schnelleknotenlinien, die die Längsachse des Biegeresonators rechtwinklig schneiden. Dabei wird in vorteilhafter Weise die Flüssigkeit in großen Mengen unter optimalen Bedingungen im Bereich der Schnelleknotenlinien auf die Zerstäuberfläche gefördert. Hierdurch wird die Kavitation an den Zuführungsstellen trotz anfänglich großer lokaler Flüs­ sigkeitsfilmdicke vermieden. Durch geeignete Länge des strei­ fenförmigen Biegeresonators lassen sich beliebig breite Flä­ chen gleichmäßig bestäuben. Durch seine doppelseitige Flüssig­ keitszuführung ist eine Verdoppelung des Durchsatzes möglich. Dabei ist es vorteilhaft, daß der Resonator durch ein axiales Anregesystem in Schwingung versetzt wird. Die Axialanregung kann auch teilweise in eine Torsionskomponente umgesetzt wer­ den, womit bei geeigneter Konstruktion ebenfalls eine Biege­ schwingung des Resonators erzielt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher er­ läutert. Es zeigt in schematischer Vereinfachung

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Zerstäuber, bei dem der Bie­ geresonator in Form eines schmalen Metallstreifens ausgebildet ist;

Fig. 2a) und b) zwei weitere Ausführungsformen, bei denen die Biegeschwingungen des Resonators durch Torsionsanre­ gung erfolgt;

Fig. 3 eine kaskadenartige Verbindung mehrerer in Fig. 2a) bzw. b) gezeigten Zerstäuber;

Fig. 4a) bis g) einige Möglichkeiten für die Flüssigkeits­ zuführung und

Fig. 5 eine weitere Möglichkeit für Flüssigkeitszuführung.

Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zerstäubers wird in Fig. 1 dargestellt. Der Biegeresonator 1 ist in Form eines länglichen, dünnen Metallstreifens ausgebildet. Der Strei­ fen wird im Schnellebauch mit dem Anregungssystem 2, 3 ver­ bunden. Die Zerstäubungsflächen des Streifens stehen senk­ recht zur Achse des Anregungssystems 2, 3. Der Winkel der Achse des Anregungssystems, die in dargestellter Form horizontal verläuft, läßt sich variieren, wodurch sich eine beliebige Neigung der Flächennormale des Streifens 1 und damit der Zerstäubungsrichtung einstellen läßt. Ein solcher Strei­ fen führt bei axialer Anregung Biegeschwingungen aus, wobei die Schnelleknotenlinien auf der Zerstäubungsfläche parallel zuein­ ander und senkrecht zur Anregungsachse verlaufen. Die Flüs­ sigkeitszuführung kann über eine Versorgungsleitung 4 er­ folgen, die im Bereich der Schnelleknotenlinien beidseitig mit Zu­ führungsröhrchen 5 versehen ist. Die Flüssigkeitszuführung kann auch einseitig sein oder nur einige Schnelleknotenlinien mit Flüssigkeit versorgt werden. Die längs der Schnelleknotenlinien fließende Flüssigkeit dehnt sich seitlich der Schnelleknotenlinie zum Schnellebauch hin mit geringer werdender Filmdicke aus und wird vernebelt.

Anstelle einer axialen Anregung kann die Biegeschwingung des Resonators mittels einer Torsionsanregung erzielt werden. Eine solche Ausführungsform wird in Fig. 2a) und b) dargestellt. Ein ebenfalls länglicher, schmaler Streifen 1 wird mit dem An­ regungssystem 2 über ein Spiralelement 6 verbunden. Dabei ist die Flächennormale des Streifens 1 senkrecht zur Achse des Anregungssystems 2. Im allgemeinen reicht für eine Torsionsan­ regung aus, daß der schmale, zylindrische Teil des Anregungs­ systems nur partiell mit einem Spiralelement versehen wird. Die Zerstäubungsrichtung verläuft in Richtung der Flächennormale des Biegeresonators, so daß bei der Vernebelung eine Beeinträch­ tigung des Anregungssystems nicht auftritt. Die Flüssigkeits­ zuführung kann bei dieser Ausführungsform analog zu dem in Fig. 1 gezeigten Linearzerstäuber erfolgen; weitere Möglich­ keiten werden im folgenden unter Fig. 4 und 5 erläutert.

In Fig. 3 wird eine kaskadenartige Anordnung von linearen Biegeresonatoren 1 gezeigt. Die einzelnen Kaskadenelemente der Länge λ/2 (in Achsenrichtung), die aus einem Biegeresona­ tor 1 und spiralförmigen Ankoppelteilen 7 bestehen, werden mit­ einander in den Torsionsschnellebäuchen befestigt. Das allen Elementen gemeinsame axiale Anregungssystem (hier nicht ge­ zeigt) kann sich oberhalb oder unterhalb der Kaskade befinden. Im allgemeinen ist es nicht erforderlich, daß jede Sektion der Kaskade Spiralelemente enthält. Eine kaskadenförmige Anordnung ist auch mit der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform mög­ lich, wobei jedoch keine Torsionsanregung stattfindet, so daß Spiralelemente nicht notwendig sind. Gemäß einer weiteren Aus­ führungsform können die in der Kaskade angeordneten Biegeresonatoren in unterschiedlicher Winkelstellung zueinander angebracht sein.

Gemäß Fig. 4a) kann der Biegeresonator 1 beidseitig entlang der Knotenlinie über Abzweigungen 8 aus Versorgungsleitungen 9 mit Flüssigkeit beschickt werden. Auch aus einem Flüssigkeits­ reservoir 10 mit geeigneten Öffnungen 11 ist dies möglich, wie es in Fig. 4b) und c) schematisch dargestellt wird.

In Fällen, wenn eine Verstopfungsgefahr der Flüssigkeits­ rohre gegeben ist, eignet sich ein halbzylinderartiger Behäl­ ter 12 mit geeigneten Öffnungen bzw. Hilfselementen 13 zur Flüssigkeitsleitung, die im Bereich der Schnelleknoten im Ab­ stand von λ/2 angeordnet sind. Diese Ausführungsformen sind in Fig. 4d) und e) gezeigt.

In der gemäß Fig. 4f) dargestellten Ausführungsform wird der streifenförmige Biegeresonator 1 direkt an die Öffnung in einer Versorgungsleitung 14 geführt. Die Flüssigkeit ver­ teilt sich dabei von den Schnelleknoten ausgehend auf die Zerstäubungsflächen. Bei der in Fig. 4g) dargestellten Art wird aus dem Reservoir 14 während der Biegeschwingung die Flüssigkeit entlang der Schnelleknotenlinien hochgesaugt. In diesem Fall können die Austrittsöffnungen für die Flüssigkeit rela­ tiv groß sein, ohne daß eine Gefahr der Verstopfung, z. B. durch Verunreinigungen, oder eine Gefahr des ungleichmäßigen Auslaufens der Flüssigkeit, z. B. bei kleinem Durchsatz, besteht.

Eine weitere Art der Flüssigkeitszuführung für streifenförmige Resonatoren wird in Fig. 5 dargestellt. Hierbei taucht der Biegeresonator 1 mit der unteren Kante in den Schnelleknoten in ein Flüssigkeitsreservoir 15 ein. Hierfür ist bei dieser Ausführungsform die untere Kante des Biegeresonators 1 mit Zacken 16 im λ/2-Abstand versehen. Die Flüssigkeit wird dann durch einen akustischen Pumpeffekt auf die Zerstäubungsfläche ge­ fördert. Anstelle von Zacken können auch alle geeigneten For­ men von Fortsätzen vorgesehen sein. Der Effekt ist ähnlich wie bei einfachem "Punktkontakt" mit der Flüssigkeit nach Fig. 4g).

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Zerstäubung von Flüssigkeiten bestehend im wesentlichen aus einem Ultraschall-Anregungssystem und einem mit Ultraschallfrequenzen schwingenden Biegeresona­ tor, der über eine Flüssigkeitszuführeinrichtung mit Flüs­ sigkeit versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegeresonator (1) einen langen, schmalen Streifen bildet und daß die Flüssigkeitszufuhr auf Schnelleknotenlinien erfolgt, die parallel zueinander auf der Zerstäubungsfläche des Streifens liegen und die senkrecht zur Längsausdehnung des Streifens verlaufen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Variation der Achsenrichtung des Anregungssystems (2, 3) eine beliebige Neigung der Flächennormalen des Biege­ resonators (1) und damit die Zerstäubungsrichtung ein­ stellbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäubungsfläche des Biegeresonators (1) senkrecht auf der Achse des Anregungssystems steht und daß der schlanke zylindrische Teil des Anregungssystems zumindest partiell als Spirale (6) ausgebildet ist, so daß die Axial­ schwingung des Anregungssystems in eine Torsionsschwingung umgesetzt wird.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mehrere Zerstäuber an einer gemeinsamen Flüssigkeitsversorgungsleitung, mit linearer oder kreis­ förmiger Anordnung, befestigt sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mehrere gleiche Biegeresonatoren (1) mit einem gemeinsamen Anregungssystem kaskadenartig miteinander verbunden sind und daß die Kupplung der Kaskadenelemente in den Torsionsschnellebäuchen erfolgt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Sektion der Kaskade Spiralelemente (7) enthält.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Kaskade befindlichen Biegeresonatoren (1) in unterschiedlicher Winkelstellung zueinander angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Kante des Biegeresonators (1) in den Schnelleknoten Fortsätze (16) aufweist, die in ein Flüssig­ keitsreservoir (15) eintauchen, so daß durch einen akusti­ schen Pumpeffekt die Flüssigkeit zum Zerstäuben auf die Biegeresonatorfläche gefördert wird.